一种过滤介质及其制备方法、 滤芯和净水装置 技术领域 本发明涉及一种去除水中丙烯腈的过滤介质及其制备方法、 使用该过滤介质的滤 芯和净水装置。
背景技术 工业和农业的迅速发展导致水资源遭到严重破坏， 工业废水排放到江河、 湖泊中， 农药、 杀虫剂等大量使用以及生活垃圾和生活废水的肆意排放， 这些都造成地下水和地表 水的水质变差， 导致水中产生很多对人体有害的物质。水污染越来越成为影响人们生活的 严峻问题。
丙烯腈是无色液体， 沸点是 78℃ . 分子结构式为 CH2 ＝ CH-C ≡ N。丙烯腈是重要 的有机合成原料。 丙烯腈大量的应用于涂料、 粘合剂、 药品等， 还用于合成腈纶等合成纤维、 ABS 和 AS 树脂、 合成丁腈橡胶、 合成己二腈、 丙烯酰胺等。以上生产应用部门的废水中均含 有丙烯腈等， 在其附近的地表水和地下水都会受到不同程度的污染， 有些人因长期饮用受 丙烯腈污染的水， 出现头疼、 头晕、 上腹部不适、 恶心、 呕吐、 手足麻木， 甚至出现短时意识朦 胧。丙烯腈是人类生产生活中自行引入水环境中毒性最大的化合物之一， 是被国内外确认 的内分泌干扰物， 它会影响动物最基本的生殖功能， 干扰荷尔蒙分子， 造成生殖、 生长和遗 传方面的疾病。我国也已经把其列入水体中优先控制污染物的 “黑名单” 。
丙烯腈属于小分子有机物。 常规的给水处理工艺对其去除效果较差或者基本上没 有去除作用。这里提及的常规的给水处理工艺包括氧化剂氧化法 ( 氯气氧化、 二氧化氯氧 化、 过氧化氢氧化、 臭氧氧化等 )、 电解法、 生物法等。目前还没有一种制备方法能够制备出 对丙烯腈有很好去除效果的过滤介质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于去除水中丙烯腈的过滤介质的制 备方法， 利用该制备方法制备的过滤介质用于去除水中的丙烯腈时， 去除率高。
为了解决以上的技术问题， 本发明采用以下的技术方案 ：
一种用于去除水中丙烯腈的过滤介质的制备方法， 包括如下步骤 ：
a) 将包含超高分子量聚乙烯、 活性炭、 凹凸棒石粉、 铜粉和发孔剂， 所述超高分子 量聚乙烯、 活性炭、 凹凸棒石粉、 铜粉和发孔剂的重量比为 ： 200 ～ 300 ∶ 90 ～ 240 ∶ 100 ～ 200 ∶ 5 ～ 20 ∶ 100 ～ 120 ；
b) 将步骤 a) 所得的混合物在模具中压制， 烧结， 冷却。
优选地， 所述超高分子量聚乙烯、 活性炭、 凹凸棒石粉、 铜粉和发孔剂的重量比为 ： 280 ～ 290 ∶ 110 ～ 120 ∶ 100 ～ 110 ∶ 14 ～ 15 ∶ 100 ～ 110。发明人发现， 所述超高分 子量聚乙烯、 活性炭、 凹凸棒石粉、 铜粉和发孔剂的重量比在这个范围内时， 制备的过滤介 质对丙烯腈的去除率有明显的提高。
所述超高分子量聚乙烯为重均分子量大于 100 万的聚乙烯， 优选使用重均分子量为 250 ～ 400 万的聚乙烯。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±50 万 )、 M-II( 分子量为 250±50 万 )、 M-III( 分子量为 350±50 万 )、 M-IV( 分子量为大于 400 万 ) 等规格的产品。超高分子量 聚乙烯的一个作用是粘结和形成过滤介质骨架的作用， 另外利用超高分子量聚乙烯通过压 制， 烧结得到的过滤介质， 容易形成微孔， 可以起到吸附水中丙烯腈的作用。超高分子量聚 乙烯的粒径为 89 ～ 104 微米。
活性炭是一种多孔性物质， 它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、 木质粉炭等 ； 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。其中以椰壳材质为来源的活性炭强度较高、 吸附性能较好。优 选活性炭的比表面积不低于 500 平方米 / 克， 更优选不低于 1000 平方米 / 克。
活性炭可以高效吸附水中的杂质， 尤其是医用活性炭， 作为通过国家相关药品监 督标准的产品， 杂质含量更低， 表面积更大， 吸附效果也更好。选用医用活性炭可以保证过 滤介质直接用于饮用水的处理。另外， 采用粒径为 74 ～ 89 微米的医用活性炭， 对丙烯腈的 吸附效果会更佳。 凹凸棒石为单斜晶系， 其理想化学式为 ； Mg5(H2O)4[Si4O10]2(OH)2， 化学成分理论值 3+ 为 MgO 23.83％， SiO256.96％， H2O 19.21％。 自然界中的凹凸棒石常有 Al 、 Fe3+ 等类质同象 置换， 富 Al3+、 Fe3+ 的变种称为铝凹凸棒石和铁凹凸棒石。如江苏省盱眙县龙王山产的铝凹 凸棒石粉的成分为 SiO258.38％， MgO 12.10％， Al2O39.50％， CaO 0.40％， TiO20.56％， MnO 0.05％， Fe2O3+FeO 5.26％， Na2O 1.10％， K2O 1.24％。由于凹凸棒石在结构中有类似沸石 的大通道， 因此具有良好的吸附和脱色性能， 并且对丙烯腈有良好的吸附性能。优选地， 所 述凹凸棒石粉的粒径为 74 ～ 89 微米。凹凸棒石粉的吸附性能与矿物中 SiO2 的含量有关， 含量越高吸附力越强， 经酸活化处理后的凹凸棒石粉的性能更好。
凹凸棒石粉的酸活化方法较多， 有硫酸法、 盐酸法、 硫酸 - 盐酸混合法等。如申请 号为 CN90105849.1 的发明专利公开了一种凹凸棒石粉的酸浸泡活化工艺， 包括将小块的 3 体积约 0.5 ～ 100cm 的凹凸棒石粘土原矿， 用浓度为 1 ～ 15wt％的无机酸溶液， 如硫酸、 盐酸溶液等， 静止浸泡 2 ～ 100 小时， 过滤挤压成片， 用转筒干燥器在 280 ～ 350℃下活化 30 ～ 50 分钟， 粉碎成 50 ～ 100 微米的脱色力为 250±5 的活性凹凸棒石粉。
铜为一种常见的金属元素。在本发明中， 铜粉的引入可以提高所制备的过滤介质 的吸附丙烯腈的能力。优选地， 使用粒径为 74 微米以下的铜粉。
发孔剂选择偶氮二甲酰胺、 食品级碳酸氢铵、 草酸中的至少一种。作为优选， 发孔 剂为偶氮二甲酰胺或食品级碳酸氢铵。 其中， 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。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。
压制压力可以选择为 0.4 ～ 1.0MPa， 烧结温度为 ： 220 ～ 250℃， 烧结时间为 90 ～ 120 分钟， 冷却至 40 ～ 60℃即可以脱模。
虽然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， 但是本发明不局限于此种理论或者另外的任何理论。对于在制备过程中它们之间的具 体的化学变化、 结构的变化尚不能确定。此几种原料经过上述的工艺处理制备出的过滤介 质， 可以有效去除水中的丙烯腈， 并且有协同作用， 可以将水中的丙烯腈充分吸收。
在本发明中， 对于混合步骤， 可以认为任何不会显著改变粉体粒径和粒度分布的 低剪切混合器或搅拌器都是适用的， 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。
混合后的粉体填装入预先设计好的模具中， 通过加压将其压实， 压力一般不大于 1MPa， 且与所用模具的材质相适应 ； 模具可以由铝、 铸铁、 钢或任何适当的能承受相应压力 和温度的材料制造。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， 也可以使用铝箔等脱模纸。
本发明还提供了以下技术方案 ： 一种使用了上述过滤介质的滤芯。
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。
相对于现有技术， 本发明的优点在于所提出的技术方案能够去除水中的丙烯腈， 去除率达到 95 ～ 99％以上， 从而达到改善水质的目的， 并且方法简单， 制备过滤介质的原 料来源广泛， 成本低。
本发明所提供的技术方案， 特别适用于被丙烯腈污染的水的处理。 具体实施方式
为能进一步理解本发明， 下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的阐述和说 明。
实施例 1
本实施例的具体步骤包括以下步骤 ：
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉 200g， 所述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-III 型产品， 其分子量为 350 万， 粒径为 89 ～ 104 微米， 利用 140 目 和 170 目的筛子进行筛选即可以得到 89 ～ 104 微米的超高分子量聚乙烯粉 ；
(2) 称取医用活性炭粉 180g， 所述医用活性炭的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目 和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的医用活性炭粉 ；
(3) 称取凹凸棒石粉 150g， 所述凹凸棒石粉的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的凹凸棒石粉 ；
(4) 称取铜粉 20g， 所述铜粉的粒径为 74 微米以下， 利用 200 目的筛子进行筛选即 可以得到 74 微米以下的铜粉 ；
(5) 称取食品级碳酸氢铵 120g， 纯度达到 99.99％以上 ；
(6) 将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌 10 分钟混合均匀 ；
(7) 装填入直径为 50mm 管状模具中， 在 0.6MPa 的液压压力下压制， 在 220℃温度 下烧结 150 分钟 ；
(8) 自然冷却至 50℃然后脱模， 即得多微细孔的管状滤芯。
实施例 2
本实施例的具体步骤包括以下步骤 ：(1) 称取超高分子量聚乙烯粉 300g， 所述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， 其分子量为 250 万， 粒径为 89 ～ 104 微米， 利用 140 目 和 170 目的筛子进行筛选即可以得到 89 ～ 104 微米的超高分子量聚乙烯粉 ；
(2) 称取医用活性炭粉 240g， 所述医用活性炭的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目 和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的医用活性炭粉 ；
(3) 称取凹凸棒石粉 200g， 所述凹凸棒石粉的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的凹凸棒石粉 ；
(4) 称取铜粉 5g， 所述铜粉的粒径为 74 微米以下， 利用 200 目的筛子进行筛选即 可以得到 74 微米以下的铜粉 ；
(5) 称取偶氮二甲酰胺 100g， 纯度达到 99.99％以上 ；
(6) 将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌 8 分钟混合均匀 ；
(7) 装填入直径为 50mm 管状模具中， 在 0.75MPa 的液压压力下压制， 在 250℃温度 下烧结 120 分钟 ；
(8) 自然冷却至 50℃然后脱模， 即得多微细孔的管状滤芯。
实施例 3 本实施例的具体步骤包括以下步骤 ：
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉 280g， 所述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， 其分子量为 250 万， 粒径为 89 ～ 104 微米， 利用 140 目 和 170 目的筛子进行筛选即可以得到 89 ～ 104 微米的超高分子量聚乙烯粉 ；
(2) 称取医用活性炭粉 120g， 所述医用活性炭的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目 和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的医用活性炭粉 ；
(3) 称取凹凸棒石粉 100g， 所述凹凸棒石粉的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的凹凸棒石粉 ；
(4) 称取铜粉 15g， 所述铜粉的粒径为 74 微米以下， 利用 200 目的筛子进行筛选即 可以得到 74 微米以下的铜粉 ；
(5) 称取草酸 100g， 纯度达到 99.99％以上 ；
(6) 将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌 8 分钟混合均匀 ；
(7) 装填入直径为 50mm 管状模具中， 在 0.75MPa 的液压压力下压制， 在 220℃温度 下烧结 120 分钟 ；
(8) 自然冷却至 50℃然后脱模， 即得多微细孔的管状滤芯。
实施例 4
本实施例的具体步骤包括以下步骤 ：
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉 290g， 所述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， 其分子量为 250 万， 粒径为 89 ～ 104 微米， 利用 140 目 和 170 目的筛子进行筛选即可以得到 89 ～ 104 微米的超高分子量聚乙烯粉 ；
(2) 称取医用活性炭粉 110g， 所述医用活性炭的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目 和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的医用活性炭粉 ；
(3) 称取凹凸棒石粉 110g， 所述凹凸棒石粉的粒径为 74 ～ 89 微米， 利用 170 目和 200 目的筛子进行筛选即可以得到 74 ～ 89 微米的凹凸棒石粉 ； 所述凹凸棒石粉经过酸化
处理， 酸化处理的步骤为用浓度为 5wt％ ( 质量分数 ) 的盐酸溶液， 静止浸泡 48 小时， 过滤 晒干 ；
(4) 称取铜粉 14g， 所述铜粉的粒径为 74 微米以下， 利用 200 目的筛子进行筛选即 可以得到 74 微米以下的铜粉 ；
(5) 称取草酸 110g， 纯度达到 99.99％以上 ；
(6) 将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌 8 分钟混合均匀 ；
(7) 装填入直径为 50mm 管状模具中， 在 0.75MPa 的液压压力下压制， 在 220℃温度 下烧结 120 分钟 ；
(8) 自然冷却至 50℃然后脱模， 即得多微细孔的管状滤芯。
实施例 1 ～ 4 中所用原料的对照表如表 1 所示。
表1
实施例 5
取实施例 1 ～ 4 所得多微细孔的管状滤芯 1， 2， 3， 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， 滤芯两端粘接上连接端盖， 放置于不锈钢或塑料壳体 内， 用于处理饮用水， 经检测， 该结构滤芯对饮用水中的丙烯腈的去除效果好， 如表 2 所示。 非常适合家庭终端饮用水处理的需要。
表 2 使用滤芯处理前后的水 单位 ： mg/L( 毫克 / 升 )
从表 3 可以看出， 利用本发明的滤芯进行去除水中的丙烯腈取得了很好的效果。 另外对处理前后的水也进行了其他项目的测试， 测试结果如表 3 所示。表 3 使用滤芯处理前后的水从表 3 可以看出， 利用本发明的滤芯在去除丙烯腈的同时， 对浑浊物和细菌微生 物的也有很好的去除效果。
相对于现有技术， 本发明的优点在于所提出的技术方案能够去除水中的丙烯腈， 去除率达到 95 ～ 99％以上， 从而达到改善水质的目的， 并且方法简单， 制备过滤介质的原 料来源广泛， 成本低 ； 另外， 在去除水中丙烯腈的同时， 也可以去除水中的浑浊物和细菌微 生物， 尤其是对细菌微生物的去除率也较高。
本发明所提供的技术方案， 特别适用于被丙烯腈污染的水的处理。
以上对本发明所提供的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质制成的滤芯进 行了详细介绍。本说明书中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 对 于本领域的一般技术人员， 依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上可能在实施过 程中会有改变之处。因此， 本说明书记载的内容不应理解为对本发明的限制。
8