CN1200353A - 一种复合吸附元件和净化水的方法 - Google Patents
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Abstract
一种含有装填的粒状和纤维状混合物的组合吸附元件,希望其中含有粒状活性炭(GAC)和活性炭纤维(ACF)。将该元件用作过滤器来净化自来水。在该组合吸附元件中,用活性炭纤维充满活性炭颗粒之间的间隙中。设计GAC和ACF的大小和相关数量,使其能够处理水,从水中去除杂质的速度快于常规的采用粒状活性炭的过滤器时的速度。此外,在过滤之间有显著的时间间隔,装填的根据本发明方法制备的粒状活性炭和活性炭纤维的混合物显示出,在过滤之间的时间间隔内,该混合物具有改进的恢复其吸附容量的能力。
Description
本发明涉及一种水净化方法，更具体地说，本发明尤其涉及一种使用能减少水流阻力并改进吸附特性的组合活性炭元件，以改进饮用水水质的方法。
例如，由于人为污染的不断发生，世界范围内的人口增长，以及随之产生的水源负载的不断增加，使得越来越需要在家庭(使用地点的水净化系统)对水进行净化。随着人们能对水中致病污染物获得的更多的医疗和环境信息，显然就更需要使用纯净水。
使用地点典型的水净化系统包括一个用于除去氯、有机物以及其它杂质的活性炭床层。通常活性炭是颗粒状的。使用人造活性炭颗粒吸附床的优点是颗粒状的活性炭便宜，在水流的作用下，颗粒状的活性炭床层不会压实，且颗粒状的活性炭对水流的阻力比较小。使用粒状活性炭床层的缺点是吸附速率低。在工业应用中，推荐的水流与活性炭吸附床之间的接触时间至少为15分钟。由于活性炭颗粒的粒径比较大，以及它们之间存在的空隙，粒状活性炭床层的另一个缺点是不能去除比较小的粒状污染物。
众所周知，粉末状的活性炭比颗粒状的活性炭吸附杂质更快，但是细小的碳粉末对水流的阻力高，并且在水流的作用下会出现不希望的压实。通常避免压实的办法是搀和粘合剂。当用聚合的热塑性材料将包含活性炭颗粒的过滤元件粘结成一刚性结构时，该过滤元件在水流的作用下不会压实，由于与粘结材料的固定接触，那些所谓“碳块”结构的缺点是损失了一部分吸附容量。另一个缺点是，在这种过滤器中，活性炭只能占据吸附床体积的一部分。而剩余的吸附床体积被固定的聚合粘结材料占据。粘合剂不能有效地吸附杂质，搀入粘合剂与只含活性炭的吸附床相比会增加床层的体积。此外，由于存在热塑性的粘结材料，这种碳块材料的另一个缺点是阻碍了蒸汽的再生或消毒能力。此外，制造这种碳块材的费用昂贵，需要恰当的温度和其它情确控制的工艺条件。
活性炭纤维早已被使用，尽管凭经验活性炭纤维的压实性明显地小于粉末状活性炭，但是它价格昂贵，且在水流作用下会压实，由此降低流动阻力。
本发明的目的是提供一种能减少流动阻力，并改进吸附特性的复合过滤元件；它吸附活性高，吸附容量高，与常规过滤器相比压力降小，且本发明新颖的复合元件容易制造。
本发明的另一个目的是提供一种采用复合活性炭过滤器净化水的方法，该活性炭过滤器是用活性炭颗粒(GAC)和活性炭纤维(ACF)联合制成的，其中活性炭纤维位于活性炭颗粒之间，以便消除它们之间的较大间隙。
本发明的另一个目的是提供一种含有活性性炭颗粒和活性炭纤维混合物的吸附材料。
本发明的另一个目的是提供一种生产上述吸附材料的方法，在水中混合已被磨碎的活性炭纤维和颗粒状的活性炭，并从该混合物中除去过量的水。
通过以下对本发明的详细描述，可更完全地理解本发明的上述和其它目的和新特征。
本发明的吸附材料包括一种颗粒和纤维的混合物，更具体地说是一种颗粒状活性炭(GAC)和活性炭纤维(ACF)的混合物。在本发明的另一种实施方式中，采用了离子交换树脂颗粒与离子交换纤维混合得到的混合物。
本文中所用的术语“GAC”指的是本领域公知的颗粒状活性炭，也即粒径在50-3000微米范围内的多孔活性炭颗粒。优选地，在实施本发明时，使用粒径大约为100-2000微米的活性炭颗粒，更优选地是200-1,000微米的活性炭颗粒。根据本发明，使用的颗粒至少有300m2/g的比表面积，优选地至少为500m2/g。它们对亚甲蓝的吸附容量至少为50mg/g，更优选地至少为100mg/g。
本文中所用的术语“ACF”指的是本领域公知的活性炭纤维，也即通过碳化处理和活化处理有机纤维得到的多孔碳纤维。ACF按制备时所用的母体来分类。通常母体包括人造纤维、聚丙烯腈、沥青等等。这些类型中的任何一种活性炭纤维都适用于本发明。从高吸附容量和迅速吸附杂质的能力来看，在这些活性炭纤维中，尤其优选地是市场有售的ACF材料、人造纤维类的ACF。例如美国专利第5,521,008描述了一种人造纤维类ACF的制备方法，引用在这里作为参考。
活性炭纤维吸附杂质的容量大于粉末状活性炭。此外，当它在水流的作用下压实时，它能降低流动阻力，且凭经验活性炭纤维的压实要明显地小于粉末状活性炭的压实。活性炭纤维材料的一个优点是其碳微粒的量要小于粉末材料的量。此外，采用ACF生成的碳微粒不会象由粉末状活性炭生成的碳微粒那样多地妨碍周围的流动。由于它们的粒径小，故采用活性炭纤维的另一个优点是纤维之间相互靠近，能够从引入的水流中容易去除悬浮固体和泥沙。象深滤器一样，它还能从水中去除细菌。
适用于本发明的ACF的比表面积至少为大约400m2/g，优选地至少为750m2/g。各种纤维的平均粒径明显地小于活性炭颗粒的平均粒径。最理想的是。活性炭颗粒的平均粒径比活性炭纤维的平均粒径大一个数量级，且活性炭纤维的最大直径明显小于活性炭颗粒的最小粒径的一半；也即活性炭纤维的直径在1-30微米的数量级，优选地在4-20微米的数量级。其亚甲蓝吸附容量至少大约为200mg/g，优选地至少为350mg/g。当纤维的平均直径低于4微米时，活性炭纤维往往会产生过量的碳微粒，其堆积密度会变得过大。而平均直径低于1微米时，堆积密度会变得很大，以至于不能进行有效的过滤。理想的，用于制备复合吸附材料的活性炭纤维的长度分布大约为0.2mm-20mm，优选地大约为1-10mm。
通常市场有售的活性炭颗粒的堆积密度大约为0.4g/cm3-0.6g/cm3。通常活性炭纤维的堆积密度大约为0.04g/cm3-0.3g/cm3，最好大约为0.1g/cm3。
本文中使用的术语“混合的”指的是活性炭纤维和活性炭颗粒在复合吸附床中的状态，意味着活性炭纤维与活性炭颗粒缠在一起，并缠绕在活性炭颗粒周围，活性炭纤维基本上落在装填活性炭颗粒形成的缝隙中。
在复合吸附材料中，理想的活性炭纤维含量大约为25％-60％v/v，优选地是35-55％。用重量百分比表示，活性炭纤维的含量最好大约为5-30％w/w。如果活性炭纤维的含量小于复合材料体积的大约25％，碳颗粒之间的间隙将不足以也即基本上不被活性炭纤维充填。如果活性炭纤维的含量大于吸附床体积的大约60％，在正常水流条件下，一些活性炭纤维将出现不希望的压实；由此对过滤器的堆积密度和背压特性产生不利的影响。此外，由于纤维相对于颗粒的价格贵，因此复合吸附床的费用将不必要地增加。
本发明的复合吸附材料是多孔的，使用这种材料作吸附剂能降低压力降。
可以用下列方法生产本发明的复合吸附材料：
最好在水中混合活性炭纤维和活性炭颗粒。在水中加入所述量的活性炭纤维和活性炭颗粒，进行湿法混合并搅拌，直到形成均匀的混合物。尽管不是最佳的，但却可以使用除水以外的其它分散液体介质。例如，可以使用有机溶剂如乙醇的水溶液或无机盐。通常用于混合的水占活性炭颗粒总重量的300-3000wt％。混合后进行脱水，使混合物快速沉淀，对得到的混合物进行离心分离，除去过量的水。通常复合混合物中保留的水分占复合吸附混合物总重量的5-50wt％。通常，足够的混合时间大约是1-15分钟，然后离心分离1-10分钟，从复合吸附材料中除去多余的水分。
将用上述方法得到的复合吸附材料装填到合适的吸附柱中，制成吸附床。当将上述吸附床用于其最佳用途即过滤水时，在使用过程中，最好避免出现吸附床变成流态化的状况，以使较轻的活性炭纤维不会与活性炭颗粒相分离。为了避免使吸附床流态化，最好在床层中将复合吸附材料压实。在一种实施方式中，在圆柱形的柱中，将复合吸附材料压在吸附柱的两个带孔的塑料盘之间，该塑料盘在美国Porex公司有售。另一方面，在过滤过程中，应当使水穿过复合吸附材料向下流动。
本发明的吸附材料具有良好的液体和气体渗透率，并在小体积内有较高的吸附率。通过使用本发明的吸附材料，可以去除的污染物主要包括氯、有害的有机添加剂如酚、重金属、细菌和悬浮固体。
下面通过具体实施例进一步说明制备本发明的复合过滤器的方法及其它们的优点。除非在说明书和权利要求书中另有说明以外，实施例中表示的数量都是重量。
实施例1
将Aqualen Y(由俄罗斯，彼得堡街，Aquaphor公司生产的人造纤维类的活性炭纤维，纤维的平均直径为6微米，亚甲蓝吸附容量为450mg/g)切割成平均长度为1厘米。将按重量计一份的切割后的纤维放到容器中，然后加入按重量计100份的水，制成稀浆。在该稀浆中加入7份由美国CalgonCarbon公司生产的、平均颗粒为1mm的颗粒状的碳F200，然后在室温下充分搅拌。对得到的混合物进行离心分离，使含水量降低到小于40％w/w。
然后将脱水后的吸附混合物紧密地装填到一个直径为4.5cm，高为5.7cm的圆柱形的过滤器中。过滤器的整个有效体积都装填有该吸附混合物。得到的吸附床含有6克活性炭纤维和43克活性炭颗粒。预备6个相同的过滤筒(过滤筒A)。在过滤过程中，过滤筒竖直设立，且液体穿过过滤筒向上流动。
对比实施例A
在一个直径为4.5cm，高为5.7cm的圆柱形的过滤器中装填25克颗粒状活性炭F200。将Aqualen Y(由俄罗斯彼得堡街Aquaphor公司，生产的人造纤维类的活性炭纤维，纤维的平均直径为6微米，亚甲蓝吸附容量为450mg/g)切割成平均长度为1厘米。将6克活性炭纤维紧密装填在颗粒状活性炭顶部的圆柱形过滤器中。整个过滤器的有效体积被两个独立层，即颗粒状的活性炭层和活性炭纤维层充满。预备6个相同的过滤筒(过滤筒B)。在过滤过程中，过滤筒B竖直设立，且液体穿过过滤筒向上流动。
实施例2
用蠕动泵(美国Cole-Palmer生产的Model 0759)，使自来水以400ml/分的流速流过过滤筒A。用一个压力计测量穿过过滤筒的压力差。1000升水连续流过过滤筒。然后用过滤筒B重复该试验。结果如下表I所示。
表I累积流过过滤器的水量 过滤筒A 过滤筒B
(升) 压力差(atm) 压力差(atm)
0 0.12 0.14
200 0.22 0.28
400 0.40 0.64
600 0.58 1.18
800 0.80 1.82
1000 1.04 1.76
结果表明，装有本发明制备的活性炭纤维和活性炭颗粒复合混合物的过滤筒A，比装有颗粒状活性炭层和活性炭纤维层的过滤筒B能明显地降低压力阻力。
实施例3
使酚浓度为100mg/l的1升水溶液以150ml/分的流速，流过一个新过滤筒A。用分光光度计(俄罗斯彼得堡街，Leningrad Optical公司生产的ModelLOMO，)在622毫微米处测量滤液的浓度。用一个新过滤筒B和已经有1,000升自来水流过(实施例2)的过滤筒A和B重复该试验。用铜浓度为100mg/l的水溶液重复相同的试验。用离子测量计测量滤液中的铜浓度。结果如下表II所示。
表II
酚去除率(％) 铜去除率(％)过滤筒A(新的) 100.0 99.0过滤筒A(10001后) 80.5 91.0过滤筒B(新的) 99.6 99.5过滤筒B(10001后) 79.4 81.2
结果表明，过滤筒A比过滤筒B能更好地滤去酚和铜溶液。
实施例4
用蠕动泵以150ml/分的流速，使1升浓度为500u/l的大肠杆菌水溶液流过一个新的过滤筒A。收集滤液，发现大肠杆菌的浓度为10u/l。水中大肠杆菌的浓度降低了98％。
实施例5
将Aqualen Y(由俄罗斯彼得堡街Aquaphor公司，生产的人造纤维类的活性炭纤维，纤维的平均直径为6微米，亚甲蓝吸附容量为450mg/g)切割成平均长度为1厘米。将每个样品均含半克活性炭纤维的4个样品在一个装有100ml2000mg/l亚甲蓝溶液(MB-1，Sigma Chemical公司，美国)的烧杯中浸泡一小时。所有的亚甲蓝均被活性炭纤维吸附。用1500mg/l亚甲蓝溶液和750mg/l的亚甲蓝溶液将上述实验重复两次。在吸附了亚甲蓝之后，每克ACF样品分别含有400mg、300mg和150mg亚甲蓝(每三个样品一组，共4组)。从烧杯中取出ACF样品。
用两个每克活性炭纤维含有400mg、300mg和150mg亚甲蓝的活性炭纤维的样品，与3.3g型号为TOG 20×50，平均粒径为0.5mm，亚甲蓝吸附容量为120mg/g(Calgon Carbon公司，美国)的粒状活性炭混合，制成含有0.5g活性炭纤维的混合物。根据本发明的教导，制备含有三种不同亚甲蓝浓度的混合吸附柱。在每一种情况下，将该混合物紧密装填在直径为15mm的圆柱中。每一个ACF-GAC混合吸附床都有7立方厘米的体积容量。
将第二组的两个每克活性炭纤维含有400mg、300mg和150mg亚甲蓝的活性炭纤维的每个样品装填到同上的直径为15mm的相同的圆柱中。该组的每个样品都由装填在3.3g型号为TOG 20×50粒状活性炭层顶部的0.5克活性炭纤维组成，该粒状活性炭层被首先装填到每一个圆柱中。每一个两层吸附床的组合体积为10立方厘米。
将一半圆柱在室温下保持24小时，并将另一半圆柱在室温下保持72小时。然后用蠕动泵以20ml/分的流速，使100ml200m如表III所示。
表III
滤液中的亚甲蓝浓度(mg/l)
每克ACF ACF-GAC ACF-GAC ACF-GAC ACF-GAC
吸附的 混合 混合 两层 两层
亚甲蓝 等待1天 等待3天 等待1天 等待3天
150 0.13 0.07 0.33 0.30
300 0.33 0.16 3.0 0.46
400 0.23 0.16 2.0 0.41
结果表明，根据本发明制备的ACF和GAC的混合物，在1天和3天不使用它时，能够改进其吸附容量。还表明ACF和GAC混合物的吸附容量要好于两种吸附剂一层放置在另一层之上组成的两层床的吸附容量。
本专业技术人员应当知道，如果需要，可以在上述复合混合物中添加各种各样的添加剂，如其它纤维和颗粒。例如，可以使用纤维状和域粒状的离子交换树脂。
尽管已经参照具体实施方式描述了本发明，用具体实施例阐明了本发明，但是显然本领域的技术人员在不背离后附权利要求书表示的原理和范围的情况下，可以作多种改进和变化。
Claims (20)
1、一种过滤水的方法，包括使不纯的水通过一个吸附元件，该吸附元件包含一种由活性炭纤维和活性炭颗粒组成的复合混合物，其特征在于活性炭纤维基本上充满活性炭颗粒之间的间隙。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于活性炭纤维的直径为1-30微米，长度为0.2-20mm。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于活性炭纤维的比表面积至少为大约400m2/g，亚甲蓝吸附容量至少大约为200mg/g；粒状活性炭的粒径为0.1mm-2mm，比表面积至少为300m2/g，亚甲蓝吸附容量至少为50mg/g。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于活性炭纤维的直径在4-20微米。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于复合混合物含有重量百分比为5％-30％的活性炭纤维，和重量百分比为70-95％的粒状活性炭。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于在用上述吸附元件过滤的过程中，可从水中去除选自下组至少一种不需要的组份，该组组份包括有机分子、氯、腐败气味、恶臭、重金属、铁、细菌、孢囊、铁锈和各种颗粒。
7、一种用复合吸附元件过滤水中杂质的方法，该吸附元件包括一个活性炭颗粒床，该床含有相当大比例的分散在活性炭颗粒之间的活性炭纤维，使得在上述活性炭颗粒之间基本上没有大的间隙，其特征在于复合吸附元件含有重量百分比为5％-30％活性炭纤维，和重量百分比为70-95％的粒状活性炭。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于活性炭颗粒的平均粒径比活性炭纤维的平均直径大一个数量级。
9、一种净化水的复合过滤器，该过滤器包含装填的纤维和颗粒混合物，其特征在于活性炭颗粒的平均粒径比活性炭纤维的平均直径大一个数量级，活性炭颗粒的最小粒径超过活性炭纤维最大直径的至少两倍。
10、如权利要求9所述的复合过滤器，其特征在于该纤维选自活性炭纤维和离子交换纤维，该颗粒选自活性炭颗粒和离子交换树脂颗粒。
11、一种净化水的复合过滤器，该过滤器包含装填的活性炭纤维和活性炭颗粒的混合物，其特征在于活性炭颗粒的平均粒径比活性炭纤维的平均直径大一个数量级。
12、如权利要求11所述的过滤器，其特征在于活性炭纤维的平均直径为1-30微米。
13、如权利要求11所述的过滤器，其特征在于活性炭纤维的平均直径为4-20微米。
14、如权利要求13所述的过滤器，其特征在于活性炭颗粒的粒径为0.1mm-2mm。
15、如权利要求14所述的过滤器，其特征在于复合混合物含有重量百分比为5％-30％活性炭纤维，和重量百分比为70-95％的粒状活性炭。
16、如权利要求12所述的过滤器，其特征在于活性炭纤维基本上充满了活性炭颗粒之间的所有间隙，且留下了通过的流动通道。
17、如权利要求16所述的过滤器，其特征在于活性炭纤维的长度大约为0.2-20mm。
18、如权利要求17所述的过滤器，其特征在于活性炭纤维的比表面积至少为大约400m2/g，亚甲蓝吸附容量至少大约为200mg/g。
19、如权利要求18所述的过滤器，其特征在于粒状活性炭的粒径为0.1mm-2mm，比表面积至少为300m2/g，亚甲蓝吸附容量至少为50mg/g。
20、如权利要求11所述的过滤器，其特征在于该过滤器进一步包括均匀分散在装填的混合物中的离子交换树脂，上述离子交换树脂可以是纤维、颗粒或纤维与颗粒的混合形式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |