去除病毒和細菌的納米淨水材料、製備方法及應用的製作方法

2023-08-03 17:48:16 1

專利名稱：去除病毒和細菌的納米淨水材料、製備方法及應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於水的淨化領域，具體涉及一系列以高分子材料為填充劑、納米材料為過濾體，能夠將汙水中的細菌、病毒完全去除的納米淨水材料，以及納米淨水材料的製備方法。
背景技術：
在經濟高度發展，生活水平顯著提高的同時，環境汙染問題日益突出，其中水環境的汙染更是日趨嚴重。造成水質惡化的汙染源除了工業廢水外，日常生活所產生的生活汙水也是主要和大量的汙染源之一。水源的汙染導致飲用水中有毒有害物質明顯增加，尤其是水中日益增多的致病微生物、細菌、病毒，影響甚至嚴重影響了人們的日常生活與工作。據世界衛生組織調查資料表明，全球80％的疾病和50％的兒童死亡率都與水質不良有關，此外還發現，飲用氯消毒水的人與癌症死亡率密切相關，即使是某些豐水地區，也發現自來水加氯消毒後致突變活性增加，Ames(沙門氏菌誘變性試驗)為陽性。而據研究結果表明，Ames試驗陽性突變結果與致癌之間有高達83％的符合率，其陽性率每增加1％，則每10萬人中胃癌、肝癌和腸癌的死亡率分別增加0.216人，0.111人和0.0854人。由此可見，水環境與我們人類的健康息息相關。
目前，水處理技術主要有蒸餾技術、「混凝—沉澱—過濾」技術、殺菌消毒技術、碳濾技術，生物處理技術、離子交換技術、膜分離技術以及光化學處理技術等等。這些水處理技術已經能夠使水質淨化達到了較高的指標，但他們卻存在很多缺點效率低、成本高、再生困難、存在二次汙染等問題，即便是有良好應用前景的納米TiO2光催化降解技術，雖然除淨度高、無汙染，但此技術要求處理水在催化氧化反應發生器中停留時間較長，多在1h以上才可能有較好的效果，同時，納米TiO2顆粒細微，不便回收。

發明內容
本發明的目的是提供一系列由以高分子材料為填充劑、納米材料為過濾體的能夠對水中的病毒、細菌有效去除的納米淨水材料。
本發明的另一個目的是提供上述納米淨水材料的製備方法。
如圖1所示，為本發明所述的納米淨水材料，其形狀包括層狀圓形及片狀，其主要成份為鋁的氧化—氫氧化相35-65％，玻璃纖維15-35％，纖維素15-30％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為20-80納米，比表面積200-750平方米/克。
納米淨水材料的製備方法如下1.將濃度為0.1-6.1g/l的酸性溶液15-100ml加入0.5-20.5g玻璃纖維的水懸浮液中(其中玻璃纖維1.0-10.5g，蒸餾水100-550ml)，然後將混合物加熱至30-150℃；2.將加熱後的混合物取出並向其中投入粒徑為15-80nm的鋁粉0.1-11.2g，然後置於超聲發生器(K-100型超聲波清洗器)中，在30-150℃溫度下超聲0.3-5.5h，之後加8-22g/l的四乙基正矽酸酯醇10-110ml溶液繼續振蕩5-60min，然後取出，在室溫下冷卻；3.將濃度為1.0-10g/l的聚乙烯醇-[-CH2CHOH-]-n溶液10-110ml加入纖維素(活性碳纖維絲、聚乙烯)的水懸浮液中(聚乙烯為乙醇懸浮液)，其中纖維素(活性碳氈、聚乙烯)1.0-10g，蒸餾水100-500ml(30-130ml乙醇)中，浸泡、均質1-10h；4.將步驟2、3，製得的混合物用布氏漏鬥進行過濾；5.將濾料在20-110℃溫度下在乾燥箱中乾燥1.5-10h得到白色層狀、片狀的本發明的納米淨水材料。
表一為用本發明的納米淨水材料處理含有細菌的汙水過程中，細菌總數隨時間變化的數據。由於在水的細菌學測定中，直接檢查水中各種病原微生物，方法較複雜，有的難度大，而且檢查結果為陰性也不能保證絕對安全。所以，在實際工作中經常以檢查水的細菌總數來間接判水的衛生學質量(見《水和廢水監測分析方法》P575)。我國生活飲用水衛生標準(GB 5749-85)中規定細菌總數的出水標準為100個/ml。表中前35min(材料A為40min)材料的去除效率為100％，35min後材料對水中細菌的去除效率逐漸降低，在545min(材料A在560min)細菌總數開始超標，而在825min各材料對水中細菌的處理能力均達最大飽和。由此可見，本發明的納米淨水材料去除效率高，處理能力強，具有相當大的飽和度。
表二為用再生過的納米淨水材料處理含有細菌的汙水過程中，細菌總數隨時間變化的數據。將使用過的納米淨水材料在高壓滅菌器中進行再生，然後將其再應用於處理含細菌的汙水中。表中前35min材料的去除效率為100％，35min後材料對水中細菌的去除效率逐漸降低，在545min(材料D在530min，材料A在560min，)細菌總數開始超標，而在825min材料B、C、E、F(A、D均在823min)對水中細菌的處理能力均達最大飽和。由此可見，本發明的納米淨水材料再生簡單，可重複使用。
綜上所述，將本發明的納米淨水材料用於處理含細菌、病毒的汙水，與現已有的水處理技術相比具有如下的優點1.製備方法簡單，價格便宜，使用方便，使用壽命長；2.去除能力強，除淨度高，對水中的細菌、病毒10s就可達到100％的去除效果，並具有相當大的飽和度；3.可重複利用，再生簡單，並且沒有二次汙染。
本發明的納米淨水材料由於其除淨度高，故可廣泛應用於深度處理各種汙水。現已將其應用於生活飲水機，並已經取得了較好的效果。例如若將本發明的納米淨水材料15--30g裝在某小型淨水器的淨水裝置中，用其處理各種汙水，可連續使用710--1430h左右，然後將使用過的納米淨水材料取出，經過再生後仍可繼續使用。當納米淨水材料重複再生使用8-10次，可重新更換新的材料。由此看來，本發明的納米淨水材料具有體積小，壽命長，成本低，去除效率高等優良效果。


圖1(a)層狀圓形的納米淨水材料；圖2(b)片狀的納米淨水材料。
實驗數據表一 去除細菌總數實驗數據



注表中各樣品的質量分別為A0.2594gB0.2613gC0.2590gD0.2821gE0.2689gF0.2778g表中各樣品的厚度分別為A2.6mm B2.6mm C2.5mmD2.7mm E2.6mm F2.7mm表二 再生後的材料去除細菌總數實驗數據




注表中各樣品的質量分別為A0.2594gB0.2613gC0.2590gD0.2821gE0.2689gF0.2778g表中各樣品的厚度分別為A2.6mm B2.6mm C2.5mmD2.7mm E2.6mm F2.7mm具體實施方式
實施例1
取1.8g的C-玻璃(亦稱為中鹼)纖維在200ml蒸餾水中混合均勻後，加入1.5g/l的硼酸20ml，然後加熱至40℃，加入粒徑為15nm的鋁粉1.6g，然後置於超聲槽中在55℃下超聲振蕩25min，然後向混合物中加入12g/l四己基正矽酸酯醇溶液35ml繼續超聲振蕩55min，之後取出在室溫下冷卻；將1.5g微晶纖維素於200ml蒸餾水中，浸泡、均質1h，然後加入5.5g/l聚乙烯醇溶液50ml；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中，溫度90℃乾燥1.5h，即得到9.1g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相50.8％，玻璃纖維19.8％，纖維素16.5％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為22納米，比表面積695平方米/克。
實施例2取1.6g D-玻璃纖維在220ml蒸餾水中混合均勻後，加入0.8g/l的水楊酸鈉80ml，然後加熱至50℃，加入0.8鋁粉(粒徑為15nm)，然後置於超聲槽中在65℃下超聲振蕩0.5h，然後向混合物中加入5g/l四己基正矽酸酯醇溶液40ml繼續超聲振蕩50min，之後取出在室溫下冷卻；將1.2g甲基纖維素於220ml蒸餾水中，浸泡、均質3h，然後加入1.5g/l聚乙烯醇溶液50ml混合均勻；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中，溫度110℃乾燥4h，即得到6.5g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相35.6％，玻璃纖維24.6％，纖維素18.5％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為20納米，比表面積735平方米/克。
實施例3取1.6g的E--玻璃纖維在200ml蒸餾水中混合均勻後，加入4g/l的水楊酸鈉25ml，然後加熱至80℃，加入1.0g鋁粉(粒徑為20nm)，然後置於超聲槽中在40℃超聲振蕩2h，然後向混合物中加入15g/l四己基正矽酸酯醇溶液15ml繼續超聲振蕩30min，取出，在室溫下冷卻；將1.2g的活性碳纖維絲用200ml蒸餾水浸泡、均質60min，加入5g/l聚乙烯醇溶液40ml混合均勻；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中於溫度50℃下乾燥5h，即得到5.92g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相48.8％，玻璃纖維27％，活性碳纖維20.3％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為25納米，比表面積690平方米/克。
實施例4取2.6g的C--玻璃纖維在400ml蒸餾水中混合均勻後，加入4g/l的水楊酸鈉60ml，然後加熱至80℃，加入1.5g鋁粉(粒徑為20nm)，然後置於超聲槽中在80℃下超聲振蕩2h，然後向混合物中加入15g/l四己基正矽酸酯醇溶液10ml繼續超聲振蕩30min，取出，在室溫下冷卻；將2.8g的活性碳纖維絲用420ml蒸餾水浸泡、均質70min，加入5g/l聚乙烯醇溶液20ml混合均勻；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中於溫度100℃下乾燥5h，即得到11.0g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相39.4％，玻璃纖維23.6％，活性碳纖維25.5％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為25納米，比表面積690平方米/克。
實施例5取2.4g的E--玻璃纖維在380ml蒸餾水中混合均勻後，加入0.2g/l的水楊酸鈉100ml，然後加熱至45℃，加入1.5鋁粉(粒徑為20nm)，然後置於超聲槽中在70℃下超聲振蕩1.5h，然後向混合物中加入15g/l四己基正矽酸酯醇溶液10ml繼續超聲振蕩20min，取出，在室溫下冷卻；將1.8g的聚乙烯用50ml乙醇浸泡、均質65min，加入3g/l聚乙烯醇溶液25ml混合均勻；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中於溫度80℃下乾燥3h，即得到9.8g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相44.2％，玻璃纖維24.5％，聚乙烯18.4％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為25納米，比表面積685平方米/克。
實施例6取1.4g D--玻璃纖維在250ml蒸餾水中混合均勻後，加入0.8g/l的水楊酸鈉60ml，然後加熱至50℃，加入1.0鋁粉(粒徑為20nm)，然後置於超聲槽中在55℃下超聲振蕩0.5h，然後向混合物中加入5g/l四己基正矽酸酯醇溶液70ml繼續超聲振蕩50min，之後取出在室溫下冷卻；將1.2g甲基纖維素於230ml蒸餾水中，浸泡、均質3h，然後加入1.5g/l聚乙烯醇溶液15ml混合均勻；將上述製得的兩種混合液過濾，將濾料在乾燥箱中，溫度100℃乾燥4h，即得到6.2g本發明的納米淨水材料，其組成為鋁的氧化—氫氧化相46.6％，玻璃纖維22.6％，纖維素19.4％，其中氧化—氫氧化鋁的粒徑為25納米，比表面積705平方米/克。
權利要求
1.一種納米淨水材料，其形狀包括層狀圓形及片狀，其主要成份為鋁的氧化-氫氧化相35-65％，玻璃纖維15-35％，纖維素15-30％，其中氧化-氫氧化鋁的粒徑為20-80納米，比表面積200-750平方米/克。
2.權利要求1所述納米淨水材料的製備方法，包括如下步驟(1)將濃度為0.1-6.1g/l的酸性溶液15-100ml加入玻璃纖維的水懸浮液中，其中玻璃纖維1.0-10.5g，蒸餾水100-550ml，然後將混合物加熱至30-150℃；(2)將加熱後的混合物取出並向其中投入粒徑為15-80nm的鋁粉0.1-11.2g，然後置於超聲發生器中，在30-150℃溫度下超聲0.3-5.5h，之後加8-22g/l的四乙基正矽酸酯醇10-110ml溶液繼續振蕩5-60min，然後取出，在室溫下冷卻；(3)將濃度為1.0-10g/l的聚乙烯醇-[-CH2CHOH-]-n溶液10-110ml加入纖維素的水懸浮液中，其中纖維素1.0-10g，蒸餾水100-500ml，浸泡、均質1-10h；(4)將步驟(2)、(3)製得的混合物用布氏漏鬥進行過濾；(5)將濾料在20-110℃溫度下在乾燥箱中乾燥1.5-10h得到白色層狀、片狀的本發明的納米淨水材料。
3.如權利要求2所述的納米淨水材料的製備方法，其特徵在於酸性溶液可以是硼酸或水楊酸鈉。
4.如權利要求2所述的納米淨水材料的製備方法，其特徵在於玻璃纖維可以是C-玻璃纖維、D-玻璃纖維或E-玻璃纖維。
5.如權利要求2所述的納米淨水材料的製備方法，其特徵在於纖維素可以是活性碳纖維絲或聚乙烯，聚乙烯為乙醇懸浮液，聚乙烯1.0-10g溶於30-130ml乙醇。
6.權利要求1所述納米淨水材料在去除水中病毒和細菌方面的應用。
7.權利要求2-5任何一項製備方法所製備的納米淨水材料在去除水中病毒和細菌方面的應用。
全文摘要
本發明屬於水的淨化領域，具體涉及一系列以高分子材料為填充劑、納米材料為過濾體，能夠對水中的細菌、病毒進行有效處理的高分子納米淨水材料以及該材料的製備方法。材料的主要成分為鋁的氧化－氫氧化相35－65％，玻璃纖維15－35％，纖維素15－30％，其中氧化－氫氧化鋁的粒徑為20－80納米，比表面積200－750平方米/克。高分子納米材料的吸附－過濾能力非常強，能夠將水中的細菌和病毒在較短時間內100％的去除，同時材料再生簡單，沒有二次汙染，所用材料品種多、價格便宜，在實際中有廣泛的應用前景。
文檔編號C08J5/08GK1544342SQ20031011007
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月19日 優先權日2003年11月19日
發明者韓煒, 李素文, 李魚, 王珩, 趙暉, 王月, 韓 煒 申請人:吉林大學