用于去除饮用水中砷的过滤介质及其制备方法

专利名称：用于去除饮用水中砷的过滤介质及其制备方法
技术领域：
本发明涉及水处理领域，具体涉及一种用于去除饮用水中砷的过滤介质及其制备 方法。
背景技术：
饮用水中的砷污染在世界上许多国家和地区都已经发生，如印度、孟加拉国、美 国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、俄罗斯都有饮用水被砷污染引发中毒的报道。美国疾病 预防控制中心和国防癌症研究机构把砷确定为第一类的致癌物质，世界卫生组织把饮用水 中的砷的含量标定为不超过0. 01mg/L。我国的内蒙、新疆、山西、湖南、云南、贵州、台湾等多个省和地区均发现饮水高砷 区。如果居民长期饮用砷超标水，微量砷在人体内长时间蓄积，造成对身体长期慢性损害， 可导致皮肤癌、神经病、黑角病、血管损伤以及增加心脏病的发病率。国内调查资料表明，长 期饮用砷含量为0. 6mg/L饮水的人群中，砷中毒患病率高达472%。；饮用砷含量为0. 3mg/ L饮水的人群中，砷中毒患病率亦达133%。;在慢性砷中毒患者中，癌变率高达150%。！在台 湾省嘉义县、台南县沿海地区中含砷量为0. 24mg/L 0. 96mg/L，长期饮用此水的居民中， 癌症发病率为105. 9%。，皮肤色素沉着发病率为183. 5%。。内蒙古不少盟市饮用水含砷量在 0. 05mg/L 1. 8mg/L，砷中毒发病率在24% 79%，情况更加严重。为消除或减少砷污染水对人们身体造成的伤害，目前已经作了许多研究工作。传 统的除砷方法有混凝沉淀法、过滤吸附、氧化、无机离子交换、电化学法、微生物法等，常用 的除砷剂有骨炭、铁锰、钴盐、镁盐、磷酸盐、稀土、海泡石、沸石等材料。然而，这些传统的除 砷方法或者单一的除砷剂真正用于高砷病区的却很少，主要是因为实验室里或单一的除砷 方法在现场实际应用时，或出现实效降低、或使用方法繁琐、或价格高、或造成二次污染等 问题。另外，地方砷中毒病区饮水多为浅层地下水，含有较多腐殖酸、富里酸等有机物或其 它盐类；即使是深层地下水，也多是富含有机质的湖泊相沉积的水，这些有机物、盐类会严 重干扰除砷剂的去除效果，使其除砷量大打折扣。由于到现有技术中的方法去除饮用水中的砷的效果不理想，因此需要提供一种对 引用水中的砷具有较高去除率的过滤介质。

发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种过滤介质的制备方法，所述过滤介质对饮 用水中的砷具有较高的去除率，本发明还提供一种由所述制备方法制备的过滤介质，以及 滤芯、净水装置和饮水机。为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于去除引用水中砷的过滤介质的制备 方法，包括步骤a)将包括超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的原 料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉和发孔剂的重量比为150 300 50 200 50 200 50 200 50 150 ；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。优选的，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的重量 比为290 300 60 70 70 80 70 80 100 120。按照本发明，采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为制备过滤介质的原料之一，由 于超高分子量聚乙烯不但可以作为粘结剂还可以形成过滤骨架。此外，将超高分子量聚乙 烯与其他成分混合压制并烧结得到的过滤介质容易形成微孔，还可以起到吸附水中杂质尤 其是砷的作用。本发明所述超高分子量聚乙烯粉优选为重均分子量大于100万的聚乙烯 粉，更优选使用重均分子量为250万 400万的超高分子量聚乙烯。超高分子量聚乙烯可从 国内生产厂家得到，如北京东方石油化工有限公司助剂二厂可提供M-I (分子量为150士50 万)、M-II (分子量为250士50万)、M-III (分子量为350万士50万)、M-IV(分子量为大 于400万)等规格的产品。为了使超高分子量聚乙烯与过滤介质其他成分达到更好的接触有助于烧结，超高 分子量聚乙烯的粉末粒径可以为50 μ m 200 μ m,优选的，超高分子量聚乙烯的粉末粒径 为IOOym 150μπι。如果粉末粒径过大，会减小超高分子量聚乙烯粉末与其他成分的接触 面积，使其骨架作用减小。如果粉末粒径过小，不利于在过滤介质内形成合适的微孔。本发明提供的制备过滤介质的原料中还包括活性炭。活性炭作为一种多孔性物 质，具有如蜂窝状的孔隙结构、巨大的比表面积、特异的表面官能团、稳定的物理和化学性 能，是优良的吸附剂、催化剂或催化剂载体。根据原料来源不同活性炭可分为木质活性炭、 如椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉等；矿物质原料活性炭，如各种煤和石油及其加工产物 为原料制成的活性炭；其它原料制成的活性炭，如废橡胶、废塑料等制成的活性炭。本发明 优选采用比表面积不低于500m2/g的活性炭，更优选，选择比表面积不低于1000m2/g的活性 炭，最优选，选用比表面积不低于1500m2/g的活性炭。在选用活性炭时，优选医用活性炭，所述医用活性炭指符合国家相关药品监督标 准的产品，由于医用活性炭杂质含量更低、表面积更大，因此具备更加优良的吸附效果，可 以保证过滤介质直接用于饮用水的处理。按照本发明，为了使活性炭与过滤介质中的其 他成分达到更有效的接触并达到更好的吸附效果，本发明人发现，当选用粒径为50μπι 200 μ m的活性炭时，过滤介质对砷具有较好的吸附效果，优选的，选用粒径为70μπι 150 μ m的活性炭。按照本发明，在制备过滤介质的原料中还包括铁锰矿粉。本发明所述铁锰矿指主 要矿物相为针铁矿和软锰矿的铁锰矿，或者由针铁矿和软锰矿组成的混合物矿，当铁锰矿 为针铁矿和软锰矿组成的混合物矿时，针铁矿和铁锰矿的混合比例按重量比为1 1.3 1 0.7。所述针铁矿主要成分是FeO(OH)，形成于氧化条件下，是含低价铁矿物风化的典 型产物；所述铁锰矿的主要成分是二氧化锰。本发明人发明，使用针锰矿和软锰矿的混合 物矿或者使用主要矿物相为针铁矿和软锰矿的铁锰矿时均可吸附三价砷和五价砷，且对三 价砷的吸附作用要强于五价砷，在PH值为2 8的条件下都有较好的吸附效果，当将针铁 矿和软锰矿作为过滤介质的原料时，过滤介质对砷的吸附作用尤为明显。优选使用粒径为 50 μ m 200 μ m的铁锰矿石粉，更优选的，使用粒径为50 μ m 90 μ m铁锰矿石粉。在本发明提供的制备过滤介质的原料中，还包括赤泥粉。所述赤泥粉指氧化铝厂的副产物，典型的赤泥粉的几种主要成分为(按重量比)=Al2O3为15% 25%，Fe2O3为26% 45%，SiO2* 5% 20%，还含有其他成分。赤泥粉中的Al2O3和Fe2O3对于砷起主 要的吸附作用，但是纯Al2O3和Fe2O3对于砷的吸附作用很弱，而铝厂副产物中赤泥粉中的 Al2O3和Fe2O3处在活化状态，非常适用于砷的吸附。本发明优选使用粒径为50 μ m 90 μ m 的赤泥粉，更优选的，赤泥粉的粒径为50 μ m 90 μ m。试验结果表明，将赤泥粉作为原料经 过烧结制成滤芯后，处理的水符合饮用水标准GB5749-2006。本发明所述发孔剂是一类易分解产生大量气体而引起发孔作用的物质，其中偶氮 类化合物、碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸铵、磺酰腈类化合物、草酸等是其典型的代表，优选的， 发孔剂为偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的一种或多种，更优选的，发孔剂为偶氮 二甲酰胺或食品级碳酸氢铵。其中的食品级碳酸氢铵也称食用级碳酸氢铵，与工业级碳酸 氢铵相区别。虽然工业级碳酸氢铵也有发孔的作用，但是它可能会含有对健康有害的杂质， 不宜用作饮用水过滤介质的生产原料。本发明对于上述制备方法中步骤a)中所用的几种原料进行了较为详尽的描述， 采用上述原料制备过滤介质时，几种成分对去除水中的砷具有很好的协同作用。本发明人 发现，当同时采用铁锰矿和赤泥粉制备过滤介质时，在吸附水中的砷过程中，即使水中有二 价阳离子共存，也几乎不影响对砷的吸附。在步骤a)中，需要将几种原料混合均勻，对于混合方法，本发明无特别限制，可以 采用人工混料，也可以采用机械混料。采用机械混料时，可以使用本领域技术人员熟知的 不会显著改变粉体粒径和粒度分布低剪切混合器或搅拌器，比如具有钝的叶轮叶片的搅拌 器、滚筒式混合器、螺旋式搅拌器等，转速要视混合器的类型而定，但以避免扬起粉尘为宜。将几种原料混合均勻后，将混合物放在模具中进行成型，成型压力优选不大于 2MPa，优选的，成型压力为0.4 IMPa。对于模具本发明无特别限制，可以为铝及其合金、铁 及其合金等本领域技术人员熟知的材质。另外，成型时可以在模具内表面涂敷脱模剂，可选 用硅氧烷油或任何其他的几乎不会吸附到过滤介质上的市售脱模剂，也可以使用脱模纸。成型后，对成型体进行烧结，烧结温度优选为200°C 300°C，更优选的烧结温度 为220°C 280°C。烧结时间优选为100 180分钟，更优选的，烧结时间优选为100 150 分钟，对于烧结压力本发明亦无特别限制，可以常压烧结，也可以为加压烧结，优选常压烧 结。烧结后，优选冷却至40°C 60°C脱模，得到过滤介质。按照本发明，制备滤芯时，可以 采用将烧结得到的过滤介质机加工成滤芯，也可以直接选用滤芯模具作为混合原料的成型 模具，均可以实现本发明的目的。本发明还提供了以下技术方案一种净水装置，包括上述的过滤介质或者滤芯。本发明还提供了 一种包括上述净水装置的饮水机。本发明提供一种过滤介质的制备方法。本发明采用超高分子量聚乙烯粉、活性炭 粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂作为过滤介质的原料。由于超高分子量聚乙烯粉不但可以 作为过滤介质的骨架，而且具备很强的吸附能力。此外，在原料中混入铁锰矿粉和赤泥粉 后，使过滤介质对除砷具备更好的效果。在几种原料的协同加和作用下，本发明制备的过 滤介质能够高效的去除饮用水中的砷，同时采用铁锰矿和赤泥粉作为原料得到的过滤介质 在吸附处理砷时，即使水中含有二价阳离子，也不影响对砷的吸附。并且，本发明提供的过 滤介质使用简便，适合家庭终端饮水处理，经检测该过滤介质对饮用水中砷的去除率可达95% 99%。
具体实施例方式为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。实施例1(1)称取超高分子量聚乙烯粉275g，该超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有 限公司助剂二厂的M-II型产品，重均分子量为250万；(2)称取医用活性炭粉75g，所述医用活性炭粉的粒径为94μπι 115μπι，比表面 积大于1400m2/g ；(3)称取针铁矿石粉45g，所述针铁矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；(4)称取软锰矿石粉50g，所述软锰矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；
(5)称取赤泥粉80g，所述赤泥粉的粒径为62 μ m 85 μ m ；(6)称取食品级碳酸氢铵95g，所述食品级碳酸氢铵的纯度大于99. 99% ；(7)将以上六种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均勻；(8)将步骤(7)中混合均勻的粉末装填入滤芯模具中，加压成型，成型压力为 0. 9MPa ；(9)将步骤(8)得到的成型体在260°C温度下常温烧结140分钟，然后自然冷却至 50°C后脱模，即得到多微细孔的内径为25mm、外径为50mm的滤芯1。实施例2(1)称取超高分子量聚乙烯粉290g，该超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有 限公司助剂二厂的M-II型产品，重均分子量为250万；(2)称取医用活性炭粉75g，所述医用活性炭粉的粒径为94 μ m 115 μ m微米，比 表面积大于1400m2/g ；(3)称取针铁矿石粉45g，所述针铁矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；(4)称取软锰矿石粉40g，所述软锰矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；
(5)称取赤泥粉75g，所述赤泥粉粉的粒径为62 μ m 85 μ m ；(6)称取食品级碳酸氢铵95g，所述食品级碳酸氢铵的纯度大于99. 99% ；(7)将以上六种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均勻；(8)将步骤(7)中混合均勻的粉末装填入滤芯模具中，加压成型，成型压力为 0. 9MPa ；(9)将步骤(8)得到的成型体在270°C温度下常温烧结140分钟，然后自然冷却至 50°C后脱模，即得到多微细孔的内径为25mm、外径为50mm的滤芯2。、实施例3(1)称取超高分子量聚乙烯粉260g，该超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有 限公司助剂二厂的M-II型产品，重均分子量为250万；(2)称取医用活性炭粉90g，所述医用活性炭粉的粒径为94 μ m 115 μ m，比表面 积大于1400m2/g ；
(3)称取针铁矿石粉40g，所述针铁矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ； (4)称取软锰矿石粉50g，所述软锰矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；
(5)称取赤泥粉75g，所述赤泥粉的粒径为62 μ m 85 μ m ；(6)称取食品级碳酸氢铵105g，所述食品级碳酸氢铵的纯度大于99. 99% ；(7)将以上六种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均勻；(8)将步骤(7)中混合均勻的粉末装填入模具中，加压成型，成型压力为0. 9MPa ；(9)将步骤(8)得到的成型体在270°C温度下常温烧结140分钟，然后自然冷却至 50°C后脱模，即得到多微细孔的内径为25mm、外径为50mm的滤芯3。实施例4(1)称取超高分子量聚乙烯粉320g，该超高分子量聚乙烯为北京东方石油化工有 限公司助剂二厂的M-II型产品，重均分子量为250万；(2)称取医用活性炭粉65g，所述医用活性炭粉的粒径为94 μ m 115 μ m，，比表面 积大于1400m2/g ；(3)称取针铁矿石粉40g，所述针铁矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；(4)称取软锰矿石粉35g，所述软锰矿石粉的粒径为65 μ m 85 μ m ；
(5)称取赤泥粉80g，所述赤泥粉的粒径为62 μ m 85 μ m ；(6)称取食品级碳酸氢铵80g，所述食品级碳酸氢铵的纯度大于99. 99% ；(7)将以上五种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均勻；(8)将步骤(7)中混合均勻的粉末装填入滤芯模具中，等静压成型，成型压力为 0. 9MPa ；(9)将步骤(8)得到的成型体在260°C温度下常温烧结140分钟，然后自然冷却至 50°C后脱模，即得到多微细孔的内径为25mm、外径为50mm的滤芯4。实施例5取实施例1 4制得的多微细孔的滤芯1、滤芯2、滤芯3、滤芯4，内衬两层无纺 布，外包两层无纺布，再在外层裹上聚丙烯多孔网，滤芯两端粘结上连接端盖形成构造滤 芯，放置于不锈钢塑料壳体内，用于处理饮用水，并分别对饮用水在过滤前和过滤后的砷含 量进行测试，结果见表1。参见表1，可见本发明提供的滤芯对于去除饮用水中的砷具有良 好的效果。同时对过滤后的饮用水的其它指标进行了测试，结果表明均符合国家饮用水标 准GB5749-2006，非常适合家庭终端饮用水处理的需要。表1使用滤芯处理前后的水中的砷含量，单位mg/L
^^^^^彳试项目砷砷
使(处理前)(处理后)__^_°·0058
滤芯 20.430.0046
滤芯 3 0.43 0.0065 _滤芯 4_043_0.0073
从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的砷取得了很好的效果。 以上对本发明所提供的制备过滤介质的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了 具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本 发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发 明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权 利要求的保护范围内。
权利要求
一种用于去除饮用水中砷的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括步骤a)将包括超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的原料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的重量比为150～300∶50～200∶50～200∶50～200∶50～150；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却得到过滤介质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭 粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的重量比为290 300 60 70 70 80 70 80 100 120。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的分子量 为250万 400万。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述活性炭粉为粒径是 550 μ m 200 μ m。
5.根据权利要求1或2所述的制备发方法，其特征在于，所述铁锰矿粉为主矿相是针铁 矿和软锰矿的铁锰矿粉，或者为针铁矿粉和软锰矿粉的混合物矿粉。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯粉的粒径 力 50 μ m 200 μ m。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述的制备方法制得的过滤介质。
8.—种滤芯，其特征在于，使用权利要求7所述过滤介质。
9.一种净水装置，其特征在于，包括权利要求7所述的过滤介质或权利要求8所述的滤芯。
10.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求9所述的净水装置。
全文摘要
本发明公开一种用于去除饮用水中砷的过滤介质的制备方法，包括步骤a)将包括超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的原料混合，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、铁锰矿粉、赤泥粉和发孔剂的重量比为150～300∶50～200∶50～200∶50～200∶50～150；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却得到过滤介质。相对于现有技术，本发明制备的过滤介质能够高效的去除饮用水中的砷，并且使用简便，适合家庭终端饮水处理，检测结果表面，本发明制备的过滤介质对饮用水中砷的去除率可达95％～99％。
文档编号B01D39/14GK101844012SQ20091013261
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者周奇迪 申请人:周奇迪