用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質及其製備方法
2023-09-13 09:07:25 1
專利名稱：用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質及其製備方法，由該過濾 介質構成的濾 芯、淨水裝置和飲水機。
背景技術：
江蘇省環境監測中心對25個飲水源水和25個水廠的出水進行監測，共檢出468 種有機物，其中39種為國內外控制最嚴格的有毒物質，主要有苯及其同系物甲苯、二甲苯 還有多環芳烴類、揮發性滷代烴類等物質。苯及其同系物甲苯、二甲苯主要為由煤焦油分餾及裂解石油而獲得。三者均為無 色透明有芳香味的液體，揮發性強。工業上利用三者之沸點不同而將其分離，但在一般情況 下很難將此三者完全分離，故一般工業用苯中都含有相當量的甲苯和二甲苯，工業用甲苯 中亦含有相當量的苯。因此，在生產環境空氣中，苯、甲苯、二甲苯常同時存在。此三者均主 要用做有機溶劑及化工原料。橡膠、油漆、噴漆、製藥、合成纖維(滌綸)、染料、農藥、人造革 生產以及印刷業中均可接觸苯。甲苯毒性較苯低，近年來大量被用來代替苯作為橡膠、樹脂 的溶劑及油漆、噴漆、油墨等的稀釋劑，亦用於炸藥、製藥及其他化工生產。二甲苯毒性較甲 苯小，用作油漆、農藥的溶劑、及苯、甲苯的代替品。苯主要經呼吸道吸入和經皮膚吸收，吸入體內的苯，35% -60%未經轉化即由 呼氣排出，約40%於體內轉化為酚類再與硫酸根及葡萄糖醛酸結合由尿中排出，約有 15% -20%蓄積於體內含脂肪較多的組織，逐漸轉化為上述代謝產物排出。短期接觸，苯對 中樞神經系統產生麻痺作用，引起急性中毒，重者會出現頭痛、噁心、嘔吐、神志模糊、知覺 喪失、昏迷、抽搐、心率加快等，嚴重者會因為中樞系統麻痺而死亡；長期接觸苯會引起慢性 中毒，神經衰弱綜合症，對血液造成極大傷害，損害骨髓，使紅血球、白細胞、血小板數量減 少，並使染色體畸變，從而導致白血病，甚至出現再生障礙性貧血，還會導致大量出血，從而 抑制免疫系統的功用，使疾病有機可乘，現已被國際癌症研究中心確認為致癌物。另外，許 多實驗證明苯有胚胎毒性作用，在一定程度上使胚胎和胎兒生長發育遲緩，新生兒低體重 發生率增高，新生兒先天畸形率達27. 36%。。還有調查研究證實母親孕期接觸苯系混合物 對其子女智力發育亦有影響。甲苯蒸氣亦主要經呼吸道侵入人體，皮膚僅能微量吸收。甲苯對皮膚黏膜有較強 刺激作用。急性中毒時表現為中樞神經系統的麻醉作用，慢性中毒時亦出現神經衰弱綜合 徵，對血液系統的毒作用不明顯，但由於工業用甲苯中常含一定量的苯，故有時亦可呈慢性 苯中毒的血象變化。二甲苯的侵入途徑同甲苯，急性毒性主要亦為對中樞神經系統的麻醉 作用，對皮膚黏膜具有較強刺激作用。長期慢性作用可引起神經衰弱症候群和自主神經機 能失調，但其慢性作用較苯及甲苯弱。目前，常規的混凝、沉澱、使用傳統砂濾料過濾水的處理方法對於去除水中的苯及 其同系物收效甚微，去除率較低。
發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種過濾介質及其製備方法，該過濾介質對飲用水中的苯及其同系物的去除率高，還提供了由這種過濾介質構成的濾芯、淨水裝置以及飲水 機。為解決上述問題，本發明採用以下技術方案一種用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質的製備方法，包括如下步驟a)將包含活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的原料混 合，所述活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的重量比為60 200 50 200 200 300 50 200 50 150 ；b)將步驟a)所得的混合物在模具中壓制，燒結，冷卻。作為優選，活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的重量比 為60 70 70 80 290 300 80 90 100 120。壓制壓力優選為0. 4 1. OMPa，燒結溫度優選為200°C 300°C，燒結時間優選為 120 150分鐘，燒結後冷卻優選至40°C左右脫模。在此製作過程中，在發明人很多次的試 驗之後，得出燒結溫度範圍在200°C 300°C內製作出的過濾介質，過濾效果更好。活性炭是一種多孔性炭吸附劑，它具有如蜂窩狀豐富的孔隙結構、巨大的比表面 積、特異的表面官能團、穩定的物理和化學性能，是優良的吸附劑、催化劑或催化劑載體。根 據原料來源不同活性炭可分為木質活性炭，如椰殼活性炭、杏殼活性炭、木質粉炭等；礦物 質原料活性炭，如各種煤和石油及其加工產物為原料製成的活性炭；其它原料製成的活性 炭，如廢橡膠、廢塑料等製成的活性炭。優選活性炭的比表面積不低於500平方米/克，更 優選不低於1000平方米/克。活性炭可以高效吸附飲水中的有機物、重金屬、異色異味，尤其是醫用活性炭，作 為通過國家相關藥品監督標準的產品，雜質含量更低，表面積更大，吸附效果也更好。選用 醫用活性炭可以保證過濾介質直接用於飲用水的處理。活性炭除了具有二維的有序微晶區 和不太規則的交聯炭六角形空間晶格的無定形結構之外，表面上有多種含氧的官能團，這 就使得活性炭既可吸附極性物質亦可吸附非極性物質。大量實驗結果證實，苯及其同系物 在碳質吸附表面均是芳環平躺方式吸附。作為優選，活性炭選用粒徑為74 89微米的醫 用活性炭對苯及其同系物吸附效果最佳。天然沸石是含水多孔矽酸鹽的總稱，其結晶結構主要是由矽氧四面體構成，其中 部分四價矽離子被三價鋁離子取代，導致負電荷過剩，因此結構中有鹼金屬或鹼土金屬等 平衡電荷的離子，同時沸石架構中有一定孔徑的孔腔和孔道，決定了其具有吸附、離子交換 等性質。天然沸石可以通過酸處理加工工藝進行改性處理將天然沸石粉碎至5 80目， 用濃度為4 IOwt %的鹽酸或硫酸浸漬處理10 20小時，經碳酸鈉或苛性鹼中和後洗滌， 再水煮30 60分鐘；將煮沸後的沸石乾燥，在350 580°C溫度下焙燒，然後粉碎至所需 要的粒度。還可以通過煅燒工藝，將天然沸石焙燒到溫度足夠高時，用水驟冷，然後乾燥、粉 碎得到改性沸石粉。此外，天然沸石還可以改性成為Na型沸石粉、H型沸石粉、P型沸石粉、NH4型沸石粉或八面沸石粉等。 如P型沸石粉的製備，是將10 20目的沸石礦放入NaOH溶液中，然後在95士5°C 下加熱70小時。又如H型沸石粉的製備，是將天然沸石用稀無機酸處理，可以是鹽酸、硫酸、硝酸、 高氯酸，使H+交換率至少在20%以上，成形後在90 110°C乾燥，最後以350 600°C溫度 加熱活化。再如Na型沸石粉的製備，將沸石用過量的鈉鹽處理，如氯化鈉，硫酸鈉，硝酸鈉 等，使Na+的交換率至少在75%以上，成形後在90 110°C乾燥，最後以350 600°C溫度 加熱活化。天然沸石經改性處理後，可以除去礦物中所含的雜質和可溶物，在礦物結構中刻 蝕出豐富的孔隙和孔腔，增大其接觸面積，從而提高沸石的吸附、離子交換等性質。作為優選，所述改性沸石粉為經過酸處理的天然斜發沸石粉。作為優選，所述改性沸石粉為選自Na型沸石粉、H型沸石粉、P型沸石粉、NH4型沸 石粉或八面沸石粉中的一種或幾種。作為優選，所述改性沸石粉的粒徑為104 150微米。所述的超高分子量聚乙烯為重均分子量大於100萬的聚乙烯，優選的粒徑為 104 150微米。超高分子量聚乙烯可從國內生產廠家得到，如北京東方石油化工有限公司 助劑二廠可提供M-I型(分子量為150士50萬)、M-II型(分子量為250士50萬)、M-III 型(分子量為350士50萬)、M-IV型(分子量為大於400萬)等規格的產品。超高分子量聚 乙烯的一個作用是粘結和形成過濾介質骨架的作用，因為超高分子量聚乙烯的分子量大， 熔融粘度非常高，熔融以後不能流動，所以利用超高分子量聚乙烯通過壓制，燒結得到的過 濾介質，容易形成微孔，可以起到吸附水中苯及其同系物的作用。硅藻土是由含氧化物很高的硅藻、放射蟲或海綿的遺體組成，硅藻骨架中的氧化 矽類似於蛋白石或含水的氧化矽，主要由SiO2組成，並含有少量的Fe203、Ca0、Mg0、Al203及 有機雜質。硅藻土通常呈淺黃色或淺灰色，質軟，多孔而較輕。硅藻土在我國主要產於浙江 省嵊州市。通常可以對硅藻土進行改性處理來提高它的水處理能力，作為優選，本發明選用 經過改性處理後的改性硅藻土粉。所述的對硅藻土進行改性處理的方法為本領域技術人員所公知的方法鹽酸或硫 酸酸洗活化；低溫或高溫焙燒活化，例如美國專利US2701240和中國專利CN86106871A中所 記載的改性方法；有機物改性法，例如中國專利CN200410079630. 9中所記載的採用十六烷 基三甲銨(CTMA)、氯化十六烷基吡啶(CPC)及聚丙烯醯胺對硅藻土進行改性的方法。硅藻土用改性處理後，氧化物雜質含量降低，SiO2含量增高，比表面積和孔容也增 大，所以精製硅藻土的載體效果比天然硅藻土好。作為優選，本發明選用粒徑為89 104微米的改性硅藻土粉。本發明所述發孔劑是一類易分解產生大量氣體而引起發孔作用的物質，其中偶氮 類化合物、碳酸氫鈉、碳酸氫銨、碳酸銨、磺醯腈類化合物、草酸等是其典型的代表。作為優 選，發孔劑為偶氮二甲醯胺、食品級碳酸氫銨、草酸中的至少一種。其中，食品級碳酸氫銨也 稱食用級碳酸氫銨，與工業級碳酸氫銨相區別。雖然工業級碳酸氫銨也有發孔的作用，但是它可能會含有對健康有害的雜質，不宜用作飲用水過濾介質的生產原料。本發明對於上述製備方法中步驟a)中所用的幾種原料進行了較為詳盡的描述， 在這幾種原料的協同加合作用下，水中的苯及其同系物可以被充分吸附。在本發明中，對於混合步驟，可以認為任何不會顯著改變粉體粒徑和粒度分布的 低剪切 混合器或攪拌器都是適用的，比如具有鈍的葉輪葉片的攪拌器、滾筒式混合器、螺旋 式攪拌器等，轉速要視混合器的類型而定，但以避免揚起粉塵為宜。混合後的粉體填裝入預先設計好的模具中，通過加壓將其壓實成型，壓力一般不 大於2MPa，且與所用模具的材質相適應，模具可以由鋁、鑄鐵、鋼或任何適當的能承受相應 壓力和溫度的材料製造。成型時，可以在模具內表面塗敷脫模劑，可選用矽氧烷油或任何其 他的幾乎不會吸附到過濾介質上的市售脫模劑，也可以使用脫模紙。本發明還提供了以下技術方案一種由上述過濾介質構成的去除飲用水中苯及其 同系物的濾芯。本發明還提供了以下技術方案一種淨水裝置，包括上述的過濾介質或者濾芯。本發明還提供了 一種包括上述淨水裝置的飲水機。相對於現有技術，本發明的優點在於製備的過濾介質對飲用水中的苯及其同系物 的去除率高，免除飲用水中苯及其同系物對人體產生的傷害，使用簡便，另外由於使用的是 濾芯，不是粉體，所以無需後續處理，適合家庭終端飲水處理。經檢測該過濾介質對飲用水 中苯及其同系物的去除率為95% 99%。
具體實施例方式為了進一步了解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是 應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的 限制。實施例1(1)稱取醫用活性炭粉65g，所述醫用活性炭的粒徑為74 89微米；(2)將天然沸石粉碎至5 80目，用濃度為8襯％的鹽酸浸漬處理15小時，經碳 酸鈉中和後洗滌，再水煮40分鐘；將煮沸後的沸石乾燥，在400°C溫度下焙燒，然後粉碎至 104 150微米，稱取所制的改性沸石粉75g ；(3)稱取超高分子量聚乙烯粉290g，所述超高分子量聚乙烯為北京東方石油化工 有限公司助劑二廠的M-II型產品，其分子量為250萬；(4)將硅藻土粉，用濃度為6wt%的硫酸浸漬處理18小時，經苛性鹼中和後洗滌， 再水煮60分鐘；將煮沸後的硅藻土粉乾燥，在50(TC溫度下焙燒，然後粉碎至89 104微 米，稱取所制的改性硅藻土粉85g ；(5)稱取純度達到99. 99%的食品級碳酸氫銨IOOg ；(6)將上述四種粉末放入機械攪拌器中攪拌10分鐘混合均勻；(7)將混合後的粉體裝填入管狀模具中，在0. 9MPa的液壓壓力下壓制，在250°C溫 度下燒結140分鐘；(8)自然冷卻至40°C然後脫模，即得多微細孔的管狀濾芯。製備的濾芯的直徑為50mm，長度為200mm。
實施例2 (1)稱取醫用活性炭粉70g，所述醫用活性炭的粒徑為74 89微米；(2)將沸石用過量的氯化鈉處理，成形後在100°C乾燥，最後以500°C溫度加熱活 化，製得Na型沸石粉，然後粉碎至104 150微米，稱取所制的Na型沸石粉80g ；(3)稱取超高分子量聚乙烯粉300g，所述超高分子量聚乙烯為北京東方石油化工 有限公司助劑二廠的M-III型產品，其分子量為350萬；(4)將硅藻土粉，用濃度為6wt%的硫酸浸漬處理18小時，經苛性鹼中和後洗滌， 再水煮60分鐘；將煮沸後的硅藻土粉乾燥，在50(TC溫度下焙燒，然後粉碎至89 104微 米，稱取所制的改性硅藻土粉90g ；(5)稱取純度達到99. 99%的食品級碳酸氫銨120克；(6)將上述四種粉末放入機械攪拌器中攪拌10分鐘混合均勻；(7)將混合後的粉體裝填入管狀模具中，在0. SMPa的液壓壓力下壓制，在280°C溫 度下燒結130分鐘；(8)自然冷卻至40°C然後脫模，即得多微細孔的管狀濾芯。製備的濾芯的直徑為50mm，長度為200mm。實施例3(1)稱取醫用活性炭粉120g，所述醫用活性炭的粒徑為74 89微米；(2)將10 20目的沸石礦放入NaOH溶液中，然後在95°C下加熱70小時，製得P 型沸石粉，冷卻後粉碎至104 150微米，稱取所制的P型沸石粉120g ；(3)稱取超高分子量聚乙烯粉260g，所述超高分子量聚乙烯為北京東方石油化工 有限公司助劑二廠的M-II型產品，其分子量為250萬；(4)將天然沸石焙燒到600°C時，用水驟冷，然後乾燥、粉碎至89 104微米得到 改性硅藻土粉，稱取所制的改性硅藻土粉120g ；(5)稱取純度達到99. 99%的偶氮二甲醯胺130克；(6)將上述四種粉末放入機械攪拌器中攪拌10分鐘混合均勻；(7)將混合後的粉體裝填入管狀模具中，在0. 6MPa的液壓壓力下壓制，在220°C溫 度下燒結150分鐘；(8)自然冷卻至40°C然後脫模，即得多微細孔的管狀濾芯。製備的濾芯的直徑為50mm，長度為200mm。實施例4(1)稱取醫用活性炭粉200g，所述醫用活性炭的粒徑為74 89微米；(2)將天然沸石用鹽酸處理，成形後在100°C乾燥，最後以450°C溫度加熱活化，制 得H型沸石粉，冷卻後粉碎至104 150微米，稱取所制的H型沸石粉200g ；(3)稱取超高分子量聚乙烯粉200g，所述超高分子量聚乙烯為北京東方石油化工 有限公司助劑二廠的M-I型產品，其分子量為150萬；(4)將天然沸石焙燒到600°C時，用水驟冷，然後乾燥、粉碎至89 104微米得到 改性硅藻土粉，稱取所制的改性硅藻土粉200g ；(5)稱取草酸60克，純度達到99. 99%以上；(6)將上述四種粉末放入機械攪拌器中攪拌10分鐘混合均勻；
(7)將混合後的粉體裝填入管狀模具中，在0. 4MPa的液壓壓力下壓制，在300°C溫 度下燒結120分鐘；(8)自然冷卻至40°C然後脫模，即得多微細孔的管狀濾芯。製備的濾芯的直徑為50mm，長度為200mm。
實施例5取實施例1 4所得多微細孔的管狀濾芯1，2，3，4，內襯兩層無紡布，外包兩層 無紡布，再在外層裹上聚丙烯多孔網，濾芯兩端粘接上連接端蓋，放置於不鏽鋼或塑料殼體 內，用於處理飲用水，經檢測，該結構濾芯對飲用水中的苯及其同系物的去除效果好，非常 適合家庭終端飲用水處理的需要。如表1所示。如表1所示，為採用實施例1 4提供的 濾芯對飲用水處理前後的苯及其同系物的含量，結果表明本發明提供的濾芯非常適合家庭 終端飲用水處理的需要。表1使用濾芯處理前後水中的苯及其笨的同系物含量，單位mg/L。 從表1可以看出，利用本發明的濾芯進行去除水中的苯及其同系物取得了很好的 效果。以上對本發明所提供的用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質及其製備方 法以及由該過濾介質構成的濾芯進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原 理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思 想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可 以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。
權利要求
一種用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質的製備方法，包括如下步驟a)將包含活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的原料混合，所述活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的重量比為60～200∶50～200∶200～300∶50～200∶50～150；b)將步驟a)所得的混合物在模具中壓制，燒結，冷卻。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述活性炭粉、沸石粉、超高分子 量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的重量比為60 70 70 80 290 300 80 90 100 120。
3.根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於所述燒結的溫度為200°C 300 "C。
4.根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於，所述活性炭粉為粒徑為74 89 微米的醫用活性炭粉，或者所述超高分子量聚乙烯粉的粒徑為104 150微米。
5.根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於所述的沸石粉為改性沸石粉，所述 改性沸石粉為經過酸處理的天然斜發沸石粉、Na型沸石粉、H型沸石粉、P型沸石粉、NH4型 沸石粉或八面沸石粉中的一種或幾種。
6.根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於，所述硅藻土粉為粒徑為89 104 微米的改性硅藻土粉，或者所述發孔劑為偶氮二甲醯胺、食品級碳酸氫銨、草酸中的至少一 種。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的製備方法得到的用於去除飲用水中苯及其同系 物的過濾介質。
8.—種濾芯，其特徵在於，由權利要求7所述的過濾介質構成。
9.一種淨水裝置，其特徵在於，包括權利要求7所述的過濾介質或者權利要求8所述的 濾芯。
10.一種飲水機，其特徵在於，包括權利要求9所述的淨水裝置。
全文摘要
本發明公開了一種用於去除飲用水中苯及其同系物的過濾介質及其製備方法，還涉及由該過濾介質構成的濾芯、淨水裝置和飲水機。過濾介質的製備包括a)將包含活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的原料混合，所述活性炭粉、沸石粉、超高分子量聚乙烯粉、硅藻土粉和發孔劑的重量比為60～200∶50～200∶200～300∶50～200∶50～150；b)將a)所得的混合物在模具中壓制，燒結，冷卻。本發明的優點在於製備的過濾介質對飲用水中的苯及其同系物的去除率高，免除其對人體的傷害，使用簡便，適合家庭終端飲水處理。經檢測該過濾介質對飲用水中苯及其同系物的去除率為95％～99％。
文檔編號B01D39/14GK101844005SQ20091013172
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者周奇迪 申請人:周奇迪