CN1544342A - 去除病毒和细菌的纳米净水材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水的净化领域，具体涉及一系列以高分子材料为填充剂、纳米材料为过滤体，能够对水中的细菌、病毒进行有效处理的高分子纳米净水材料以及该材料的制备方法。材料的主要成分为铝的氧化－氢氧化相：35－65％，玻璃纤维：15－35％，纤维素：15－30％，其中氧化－氢氧化铝的粒径为20－80纳米，比表面积200－750平方米/克。高分子纳米材料的吸附－过滤能力非常强，能够将水中的细菌和病毒在较短时间内100％的去除，同时材料再生简单，没有二次污染，所用材料品种多、价格便宜，在实际中有广泛的应用前景。

Description

去除病毒和细菌的纳米净水材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于水的净化领域，具体涉及一系列以高分子材料为填充剂、纳米材料为过滤体，能够将污水中的细菌、病毒完全去除的纳米净水材料，以及纳米净水材料的制备方法。
技术背景
在经济高度发展，生活水平显著提高的同时，环境污染问题日益突出，其中水环境的污染更是日趋严重。造成水质恶化的污染源除了工业废水外，日常生活所产生的生活污水也是主要和大量的污染源之一。水源的污染导致饮用水中有毒有害物质明显增加，尤其是水中日益增多的致病微生物、细菌、病毒，影响甚至严重影响了人们的日常生活与工作。据世界卫生组织调查资料表明，全球80％的疾病和50％的儿童死亡率都与水质不良有关，此外还发现，饮用氯消毒水的人与癌症死亡率密切相关，即使是某些丰水地区，也发现自来水加氯消毒后致突变活性增加，Ames(沙门氏菌诱变性试验)为阳性。而据研究结果表明，Ames试验阳性突变结果与致癌之间有高达83％的符合率，其阳性率每增加1％，则每10万人中胃癌、肝癌和肠癌的死亡率分别增加0.216人，0.111人和0.0854人。由此可见，水环境与我们人类的健康息息相关。
目前，水处理技术主要有：蒸馏技术、“混凝—沉淀—过滤”技术、杀菌消毒技术、碳滤技术，生物处理技术、离子交换技术、膜分离技术以及光化学处理技术等等。这些水处理技术已经能够使水质净化达到了较高的指标，但他们却存在很多缺点：效率低、成本高、再生困难、存在二次污染等问题，即便是有良好应用前景的纳米TiO2光催化降解技术，虽然除净度高、无污染，但此技术要求处理水在催化氧化反应发生器中停留时间较长，多在1h以上才可能有较好的效果，同时，纳米TiO2颗粒细微，不便回收。
发明内容
本发明的目的是：提供一系列由以高分子材料为填充剂、纳米材料为过滤体的能够对水中的病毒、细菌有效去除的纳米净水材料。
本发明的另一个目的是提供上述纳米净水材料的制备方法。
如图1所示，为本发明所述的纳米净水材料，其形状包括层状圆形及片状，其主要成份为铝的氧化—氢氧化相：35-65％，玻璃纤维：15-35％，纤维素：15-30％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为20-80纳米，比表面积200-750平方米/克。
纳米净水材料的制备方法如下：
1.将浓度为0.1-6.1g/l的酸性溶液15-100ml加入0.5-20.5g玻璃纤维的水悬浮液中(其中玻璃纤维1.0-10.5g，蒸馏水100-550ml)，然后将混合物加热至30-150℃；
2.将加热后的混合物取出并向其中投入粒径为15-80nm的铝粉0.1-11.2g，然后置于超声发生器(K-100型超声波清洗器)中，在30-150℃温度下超声0.3-5.5h，之后加8-22g/l的四乙基正硅酸酯醇10-110ml溶液继续振荡5-60min，然后取出，在室温下冷却；
3.将浓度为1.0-10g/l的聚乙烯醇-[-CH2CHOH-]-n溶液10-110ml加入纤维素(活性碳纤维丝、聚乙烯)的水悬浮液中(聚乙烯为乙醇悬浮液)，其中纤维素(活性碳毡、聚乙烯)1.0-10g，蒸馏水100-500ml(30-130ml乙醇)中，浸泡、均质1-10h；
4.将步骤2、3，制得的混合物用布氏漏斗进行过滤；
5.将滤料在20-110℃温度下在干燥箱中干燥1.5-10h得到白色层状、片状的本发明的纳米净水材料。
表一为用本发明的纳米净水材料处理含有细菌的污水过程中，细菌总数随时间变化的数据。由于在水的细菌学测定中，直接检查水中各种病原微生物，方法较复杂，有的难度大，而且检查结果为阴性也不能保证绝对安全。所以，在实际工作中经常以检查水的细菌总数来间接判水的卫生学质量(见《水和废水监测分析方法》P575)。我国生活饮用水卫生标准(GB 5749-85)中规定细菌总数的出水标准为100个/ml。表中前35min(材料A为40min)材料的去除效率为100％，35min后材料对水中细菌的去除效率逐渐降低，在545min(材料A在560min)细菌总数开始超标，而在825min各材料对水中细菌的处理能力均达最大饱和。由此可见，本发明的纳米净水材料去除效率高，处理能力强，具有相当大的饱和度。
表二为用再生过的纳米净水材料处理含有细菌的污水过程中，细菌总数随时间变化的数据。将使用过的纳米净水材料在高压灭菌器中进行再生，然后将其再应用于处理含细菌的污水中。表中前35min材料的去除效率为100％，35min后材料对水中细菌的去除效率逐渐降低，在545min(材料D在530min，材料A在560min，)细菌总数开始超标，而在825min材料B、C、E、F(A、D均在823min)对水中细菌的处理能力均达最大饱和。由此可见，本发明的纳米净水材料再生简单，可重复使用。
综上所述，将本发明的纳米净水材料用于处理含细菌、病毒的污水，与现已有的水处理技术相比具有如下的优点：
1.制备方法简单，价格便宜，使用方便，使用寿命长；
2.去除能力强，除净度高，对水中的细菌、病毒10s就可达到100％的去除效果，并具有相当大的饱和度；
3.可重复利用，再生简单，并且没有二次污染。
本发明的纳米净水材料由于其除净度高，故可广泛应用于深度处理各种污水。现已将其应用于生活饮水机，并已经取得了较好的效果。例如若将本发明的纳米净水材料15--30g装在某小型净水器的净水装置中，用其处理各种污水，可连续使用710--1430h左右，然后将使用过的纳米净水材料取出，经过再生后仍可继续使用。当纳米净水材料重复再生使用8-10次，可重新更换新的材料。由此看来，本发明的纳米净水材料具有体积小，寿命长，成本低，去除效率高等优良效果。
附图说明
图1(a)层状圆形的纳米净水材料；
图2(b)片状的纳米净水材料。
实验数据：
                表一  去除细菌总数实验数据
Figure A20031011007700061
  100min     5     7     5     7     8     6
  110min     6     8     7     8     8     8
  120min     7     8     8     9     9     9
  130min     9     9     10     11     10     11
  140min     10     9     10     11     10     12
  150min     10     11     10     12     11     12
  165min     13     11     11     13     13     13
  180min     14     13     12     14     13     14
  195min     13     13     14     15     15     16
  210min     14     15     14     17     16     17
  225min     16     18     16     17     18     18
  240min     16     16     16     18     17     1 8
  255min     17     18     20     21     18     20
  270min     19     21     22     24     20     22
  285min     21     25     25     27     26     26
  300min     24     28     27     30     29     29
  320min     27     30     33     32     32     33
  340min     29     34     41     40     41     39
  360min     33     38     48     51     47     50
  380min     37     43     51     55     54     56
  400min     41     48     58     61     59     61
  420min     48     51     62     65     64     66
  440min     57     57     70     74     73     74
  460min     62     64     76     81     80     81
  480min     70     72     84     87     86     88
  500min     79     81     89     92     90     91
  515min     86     89     93     95     93     92
  530min     94     97     96     99     98     98
  545min     99     103     101     104     102     103
  560min     101     103     103     111     105     108
  575min     109     109     110     11 8     111     114
  590min     116     119     118     120     119     120
  605min     124     126     125     130     127     128
  620min     132     134     133     137     135     135
  635min     138     141     137     141     138     140
  650min     145     147     147     149     145     147
  660min     151     156     152     156     150     153
  670min     158     162     159     163     157     160
  680min     162     169     164     170     169     169
  690min     169     173     168     179     170     175
  700min     174     180     174     182     177     180
  710min     179     1 88     180     194     183     188
  720min     183     191     185     201     192     197
  730min     189     199     187     209     200     203
  740min     195     203     194     212     201     209
  750min     203     209     204     223     216     220
  755min     211     216     213     231     225     228
  760min     225     229     226     242     236     240
  765min     237     239     235     254     248     251
  770min     241     246     242     265     260     264
  775min     254     261     255     276     273     375
  780min     265     270     273     288     279     285
  785min     276     282     275     291     287     288
  790min     288     296     287     304     295     300
  795min     291     299     292     312     306     307
  800min     304     308     305     318     311     314
  803min     312     317     313     329     320     320
  806min     318     324     319     341     338     338
  809min     323     329     325     353     346     349
  812min     330     338     333     367     355     359
  815min     337     345     339     376     369     367
  817min     341     350     344     389     374     379
  819min     346     355     347     398     378     387
  821min     349     357     349     399     378     389
  823min     350     359     349     400     379     389
  825min     350     360     350     400     380     390
注：表中各样品的质量分别为：A：0.2594g    B：0.2613g    C：0.2590g
                            D：0.2821g    E：0.2689g    F：0.2778g
表中各样品的厚度分别为：
                            A：2.6mm      B：2.6mm      C：2.5mm
                            D：2.7mm      E：2.6mm      F：2.7mm
              表二  再生后的材料去除细菌总数实验数据
Figure A20031011007700091
  16min     0     0     0     0     0     0
  19min     0     0     0     0     0     0
  22min     0     0     0     0     0     0
  25min     0     0     0     0     0     0
  30min     0     0     0     0     0     0
  35min     0     0     0     0     0     0
  40min     1     1     1     2     1     1
  45min     1     1     2     1     1     2
  50min     2     2     3     3     2     3
  60min     4     2     3     3     3     3
  70min     4     3     4     5     5     4
  80min     5     5     4     5     5     5
  90min     6     6     5     6     7     7
  100min     6     7     5     7     8     8
  110min     7     8     7     8     8     8
  120min     8     8     8     9     9     9
  130min     9     9     10     11     10     11
140min 10 9 10 11 10 12
  150min     12     10     11     12     11     12
  165min     13     11     11     13     13     13
  180min     14     12     12     14     13     14
  195min     15     14     13     15     15     16
  210min     14     15     14     17     16     17
  225min     16     18     16     18     18     18
  240min     17     16     18     18     17     18
  255min     18     19     20     20     18     20
  270min     19     21     22     23     20     22
  285min     21     25     25     27     26     26
  300min     23     28     27     31     29     29
  320min     25     31     33     35     32     33
  340min     28     34     42     43     41     39
  360min     32     37     48     51     47     50
  380min     36     43     51     56     54     56
  400min     40     46     58     63     59     61
  420min     47     52     62     69     64     66
  440min     55     56     70     77     73     74
  460min     61     63     76     88     80     81
  480min     70     74     84     95     86     88
  500min     79     82     89     98     90     91
  515min     78     89     94     99     93     95
  530min     93     98     97     101     98     99
  545min     98     101     100     104     102     103
  560min     101     103     103     111     105     108
  575min     108     109     111     118     111     114
  590min     115     119     118     120     119     120
  605min     122     126     125     130     127     128
  620min     130     134     133     137     135     135
  635min     137     141     137     141     138     140
  650min     144     147     147     149     145     147
  660min     150     156     152     156     150     153
  670min     157     162     159     163     157     160
  680min     162     169     164     170     169     169
  690min     169     173     168     179     170     175
  700min     174     180     174     182     177     180
  710min     179     188     180     194     183     188
  720min     183     191     185     201     192     197
  730min     189     199     187     209     200     203
  740min     195     203     194     212     201     209
  750min     203     209     204     223     216     220
  755min     211     216     213     231     225     228
  760min     225     229     226     242     236     240
  765min     237     239     235     254     248     251
  770min     241     246     242     265     260     264
  775min     254     261     255     276     273     375
  780min     265     270     273     288     279     285
  785min     276     282     275     291     287     288
  790min     288     296     287     304     295     300
  795min     293     299     295     312     306     307
  800min     311     308     309     319     326     317
  803min     318     320     316     331     337     333
  806min     325     327     327     343     352     345
  809min     328     336     339     368     368     367
  812min     335     342     343     389     371     378
  815min     339     351     345     394     376     383
  817min     343     355     346     397     378     386
  819min     346     358     348     398     379     388
  821min     349     359     349     399     379     389
  823min     350     359     350     400     380     389
  825min     350     360     350     400     380     390
注：表中各样品的质量分别为：A：0.2594g    B：0.2613g    C：0.2590g
                            D：0.2821g    E：0.2689g    F：0.2778g
表中各样品的厚度分别为：
                            A：2.6mm      B：2.6mm      C：2.5mm
                            D：2.7mm      E：2.6mm      F：2.7mm
具体实施方式
实施例1：
取1.8g的C-玻璃(亦称为中碱)纤维在200ml蒸馏水中混合均匀后，加入1.5g/l的硼酸20ml，然后加热至40℃，加入粒径为15nm的铝粉1.6g，然后置于超声槽中在55℃下超声振荡25min，然后向混合物中加入12g/l四己基正硅酸酯醇溶液35ml继续超声振荡55min，之后取出在室温下冷却；将1.5g微晶纤维素于200ml蒸馏水中，浸泡、均质1h，然后加入5.5g/l聚乙烯醇溶液50ml；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中，温度90℃干燥1.5h，即得到9.1g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：50.8％，玻璃纤维：19.8％，纤维素：16.5％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为22纳米，比表面积695平方米/克。
实施例2：
取1.6g D-玻璃纤维在220ml蒸馏水中混合均匀后，加入0.8g/l的水杨酸钠80ml，然后加热至50℃，加入0.8铝粉(粒径为15nm)，然后置于超声槽中在65℃下超声振荡0.5h，然后向混合物中加入5g/l四己基正硅酸酯醇溶液40ml继续超声振荡50min，之后取出在室温下冷却；将1.2g甲基纤维素于220ml蒸馏水中，浸泡、均质3h，然后加入1.5g/l聚乙烯醇溶液50ml混合均匀；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中，温度110℃干燥4h，即得到6.5g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：35.6％，玻璃纤维：24.6％，纤维素：18.5％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为20纳米，比表面积735平方米/克。
实施例3：
取1.6g的E--玻璃纤维在200ml蒸馏水中混合均匀后，加入4g/l的水杨酸钠25ml，然后加热至80℃，加入1.0g铝粉(粒径为20nm)，然后置于超声槽中在40℃超声振荡2h，然后向混合物中加入15g/l四己基正硅酸酯醇溶液15ml继续超声振荡30min，取出，在室温下冷却；将1.2g的活性碳纤维丝用200ml蒸馏水浸泡、均质60min，加入5g/l聚乙烯醇溶液40ml混合均匀；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中于温度50℃下干燥5h，即得到5.92g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：48.8％，玻璃纤维：27％，活性碳纤维：20.3％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为25纳米，比表面积690平方米/克。
实施例4：
取2.6g的C--玻璃纤维在400ml蒸馏水中混合均匀后，加入4g/l的水杨酸钠60ml，然后加热至80℃，加入1.5g铝粉(粒径为20nm)，然后置于超声槽中在80℃下超声振荡2h，然后向混合物中加入15g/l四己基正硅酸酯醇溶液10ml继续超声振荡30min，取出，在室温下冷却；将2.8g的活性碳纤维丝用420ml蒸馏水浸泡、均质70min，加入5g/l聚乙烯醇溶液20ml混合均匀；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中于温度100℃下干燥5h，即得到11.0g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：39.4％，玻璃纤维：23.6％，活性碳纤维：25.5％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为25纳米，比表面积690平方米/克。
实施例5：
取2.4g的E--玻璃纤维在380ml蒸馏水中混合均匀后，加入0.2g/l的水杨酸钠100ml，然后加热至45℃，加入1.5铝粉(粒径为20nm)，然后置于超声槽中在70℃下超声振荡1.5h，然后向混合物中加入15g/l四己基正硅酸酯醇溶液10ml继续超声振荡20min，取出，在室温下冷却；将1.8g的聚乙烯用50ml乙醇浸泡、均质65min，加入3g/l聚乙烯醇溶液25ml混合均匀；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中于温度80℃下干燥3h，即得到9.8g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：44.2％，玻璃纤维：24.5％，聚乙烯：18.4％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为25纳米，比表面积685平方米/克。
实施例6：
取1.4g D--玻璃纤维在250ml蒸馏水中混合均匀后，加入0.8g/l的水杨酸钠60ml，然后加热至50℃，加入1.0铝粉(粒径为20nm)，然后置于超声槽中在55℃下超声振荡0.5h，然后向混合物中加入5g/l四己基正硅酸酯醇溶液70ml继续超声振荡50min，之后取出在室温下冷却；将1.2g甲基纤维素于230ml蒸馏水中，浸泡、均质3h，然后加入1.5g/l聚乙烯醇溶液15ml混合均匀；将上述制得的两种混合液过滤，将滤料在干燥箱中，温度100℃干燥4h，即得到6.2g本发明的纳米净水材料，其组成为：铝的氧化—氢氧化相：46.6％，玻璃纤维：22.6％，纤维素：19.4％，其中氧化—氢氧化铝的粒径为25纳米，比表面积705平方米/克。

Claims (7)

1、一种纳米净水材料，其形状包括层状圆形及片状，其主要成份为铝的氧化-氢氧化相：35-65％，玻璃纤维：15-35％，纤维素：15-30％，其中氧化-氢氧化铝的粒径为20-80纳米，比表面积200-750平方米/克。
2、权利要求1所述纳米净水材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将浓度为0.1-6.1g/l的酸性溶液15-100ml加入玻璃纤维的水悬浮液中，其中玻璃纤维1.0-10.5g，蒸馏水100-550ml，然后将混合物加热至30-150℃；
(2)将加热后的混合物取出并向其中投入粒径为15-80nm的铝粉0.1-11.2g，然后置于超声发生器中，在30-150℃温度下超声0.3-5.5h，之后加8-22g/l的四乙基正硅酸酯醇10-110ml溶液继续振荡5-60min，然后取出，在室温下冷却；
(3)将浓度为1.0-10g/l的聚乙烯醇-[-CH2CHOH-]-n溶液10-110ml加入纤维素的水悬浮液中，其中纤维素1.0-10g，蒸馏水100-500ml，浸泡、均质1-10h；
(4)将步骤(2)、(3)制得的混合物用布氏漏斗进行过滤；
(5)将滤料在20-110℃温度下在干燥箱中干燥1.5-10h得到白色层状、片状的本发明的纳米净水材料。
3、如权利要求2所述的纳米净水材料的制备方法，其特征在于：酸性溶液可以是硼酸或水杨酸钠。
4、如权利要求2所述的纳米净水材料的制备方法，其特征在于：玻璃纤维可以是C-玻璃纤维、D-玻璃纤维或E-玻璃纤维。
5、如权利要求2所述的纳米净水材料的制备方法，其特征在于：纤维素可以是活性碳纤维丝或聚乙烯，聚乙烯为乙醇悬浮液，聚乙烯1.0-10g溶于30-130ml乙醇。
6、权利要求1所述纳米净水材料在去除水中病毒和细菌方面的应用。
7、权利要求2-5任何一项制备方法所制备的纳米净水材料在去除水中病毒和细菌方面的应用。
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