CN104016439B - 用于去除饮用水中甲醛的过滤介质、滤芯以及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中甲醛的去除率高，方法简单，另外由于使用的是滤芯，不是粉体，所以无需后续处理，适合家庭终端饮水处理。经检测该过滤介质对饮用水中甲醛的去除率在98.4％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除饮用水中甲醛的过滤介质及其制备方法，由该过滤介质构成的滤芯、净水装置和饮水机。
背景技术
甲醛(分子式：HCHO)亦称蚁醛，是最简单的醛类，通常情况下是一种可燃、无色及有刺激性的气体。易溶于水、醇和醚。35％～40％的甲醛水溶液叫做福尔马林。甲醛是一种重要的有机原料，主要用于塑料工业(如制酚醛树脂、脲醛塑料—电玉)、合成纤维(如合成维尼纶—聚乙烯醇缩甲醛)、皮革工业、医药、染料等。甲醛是一类致癌物质。
日常生活中，甲醛无处不在。在日用品、清洁剂、防腐剂、杀虫剂、消毒剂中均有甲醛；隔热材料的脲甲醛树脂里有甲醛；建筑材料装饰材料如墙面和地面的粘结剂、人造板、化纤地毯、塑料板、涂料中含有甲醛。在2012年5月，日本有三个县因甲醛超标的净水厂一度停产断水，34万居民受影响。
常规的水处理工艺对甲醛的处理效果不好，不能有效的去除甲醛；单一活性炭吸附效果不佳，反渗透法使用麻烦，费水费电，成本高，排放的浓缩液不易处理，易造成二次污染；离子交换方法繁琐，置换饱和后的冲洗水难以处理；萃取法和蒸馏法耗能较大且过程繁琐；而沉淀法同样会出现处理难的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种过滤介质及其制备方法，该过滤介质对饮用水中的甲醛的去除率高，并且方法简单。还提供了由这种过滤介质构成的滤芯、净水装置以及饮水机。
本发明提供了一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
优选的，还包括麦饭石粉，所述麦饭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为50～100:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100。
优选的，所述麦饭石粉为经过锰改性的麦饭石粉。
优选的，还包括蛭石粉。
优选的，所述蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为80～150:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100。
本发明提供了根据上述权利要求所述的制备方法得到的用于去除饮用水中甲醛的过滤介质。
本发明提供了一种滤芯，由上述权利要求所述的过滤介质构成。
本发明提供了一种净水装置，包括上述权利要求所述的过滤介质或者上述权利要求所述的滤芯。
本发明提供了一种饮水机，包括上述权利要求所述的净水装置。
与现有技术相比，本发明提供了一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中甲醛的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素甲醛对人体产生的伤害，使用简便，成本低，另外由于使用的是滤芯，不是粉体，所以无需后续处理，适合家庭终端饮水处理。经检测该过滤介质对饮用水中甲醛的去除率在98.4％以上。
具体实施方式
本发明提供了一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
本发明提供了一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
本发明首先将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；优选为210～290:60～90:60～90:60～90:60～90；更优选为220～280:65～85:65～85:65～85:65～85。
在本发明中，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量优选为100万～700万，更优选为200万～600万，最优选为250万～400万。优选的粒径为89μm～104μm。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型(分子量为150±50万)、M-II型(分子量为250±50万)、M-III型(分子量为350±50万)、M-IV型(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，因为超高分子量聚乙烯的分子量大，熔融粘度非常高，熔融以后不能流动，所以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，可以起到吸附水中甲醛的作用。
在本发明中，活性炭是一种多孔性物质，具有蜂窝状的孔隙结构，较大的比表面积，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。根据原料来源的不同活性炭优选分为木质活性炭、矿物质原料活性炭和其他原料制成的活性炭等。其中，所述木质活性炭优选包括椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉炭；所述矿物质原料活性炭优选包括各种煤和石油及其加工产物为原料制成的活性炭；其他原料制成的活性炭优选包括废橡胶、废塑料制成的活性炭。本发明优选使用以椰壳材质为来源的活性炭，其强度较高、吸附性能好，更优选为以椰壳材质为来源的医用活性炭。在本发明中，所述活性炭的比表面积优选不低于500m2/g，更优选不低于1000m2/g。活性炭可以高效的吸附水中的有机物、尤其是医用活性炭，作为用过国家相关药品监督标准的产品，杂质含量低，表面积更大，吸附效果也更好，并且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。
蒙脱石(Montmorillonite)是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，名称来源于首先发现的产地－－法国的Montmorillon。蒙脱石亚族属于蒙皂石族(smectite)矿物之一(另一亚族是皂石saponite),是重要的黏土矿物，一般为块状或土状。分子式(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O,中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体所组成的三层片状结构的黏土矿物，在晶体构造层间含水及一些交换阳离子，有较高的离子交换容量，具有较高的吸水膨胀能力。蒙脱石晶体属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物。本发明所述的蒙托石粉选自180～200目的蒙托石粉。其结构属于层状结构，经过活化处理，其层状结晶由原来的致密结构变得较为松散叠加，从而使其比表面积增大，吸附能力增加。其与活性炭的孔状吸附不同，其层状吸附对于甲醛具有更好的吸附作用。本发明优选使用经酸活化的蒙脱石粉，酸活化方法为：将蒙脱石粉碎，用浓度为5wt％～10wt％的盐酸或硫酸浸渍处理8～15小时，经碳酸钠或苛性碱中和后洗涤，然后烘干，粉碎至所需要的粒度。本发明优选蒙脱石粉的粒径为61μm～89μm。
本发明的水滑石粉是一类由带正电荷和层间充填负电荷的阴离子所构成的层状化合物，又称层状氢氧化物。经过焙烧的水滑石氧化物在一定的条件下可重新吸收水中的阴离子从而恢复为层状结构的水滑石。这种独特的结构记忆效应使得水滑石可作为高效阴离子吸附剂而应用。高价盈利子容易交换进入水滑石层间，低价阴离子易于被交换出来且交换容量大。水滑石粉对甲醛有很强的吸附作用。它与上述活性炭粉末、超高分子量聚乙烯粉和蒙脱石粉协同作用对水中甲醛的处理效果非常好。
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。作为优选，发孔剂为偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至少一种。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。
在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉和发孔剂的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的甲醛的去除率高，效果好。
在本发明中，优选还包括麦饭石粉，所述麦饭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉、发孔剂的重量比优选为50～100:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；更优选为60～90:210～290:60～90:60～90:60～90:60～90；最优选为65～85:220～280:65～85:65～85:65～85:65～85。
在本发明中，麦饭石粉材料来源极其丰富、价廉、吸附性能好且具有良好的矿化性、生物活性、溶出性。本发明的麦饭石粉优选为经过锰改性的麦饭石粉。具体为：利用MnO2制备最佳改性麦饭石粉的条件为：预处理麦饭石粉与MnSO4、KMnO4溶液混合凝胶化40min,使预处理麦饭石粉与生成的MnO2重量比为5,陈化时间2.0d,洗净烘干后在400℃高温下焙烧1.5h。
在本发明中，所述麦饭石粉和上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂可以相互配合和相互作用，能显著提高饮用水中的甲醛的去除率，效果更好。
在本发明中，优选还包括虫蛭石粉，所述蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、氢氧化镁粉、改性膨润土粉、发孔剂的重量比优选为80～150:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；更优选为90～140:210～290:60～90:60～90:60～90:60～90；最优选为100～130:220～280:65～85:65～85:65～85:65～85。
在本发明中，蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀。蛭石粉由蛭石原矿经高温焙烧、筛选、研磨加工成粉末状。蛭石粉颗粒中含油很多毛细孔，具有很大的比表面积，具有多种用途，可用作建筑材料，防火绝缘材料等。发明人经创造性的研究发现，蛭石粉用于吸附饮用水中的甲醛具有良好的效果。优选的，本发明所述的蛭石粉的粒径为44μm～74μm。
在本发明中，通过上述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂、蛭石粉的相互配合和相互作用，共同使得对于饮用水中的甲醛的去除率高，效果好。并且上述物质和麦饭石粉的相互配合和相互作用更能提高水中甲醛的去除率。
在本发明中，对于上述原料的来源和纯度没有特殊限制，优选为市售。
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，在这几种原料的协同加合作用下，水中的甲醛可以被充分吸附。
在本发明中，对于上述原料的混合没有任何限制，可以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，优选可以为钝的叶轮叶片的搅拌器、滚筒式混合器、螺旋式搅拌器等。对于上述混合器和搅拌器的转速要视混合器的类型而定，对此不进行限制，优选为避免扬起粉尘。
将上述原料混合后，将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
具体为，将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，压力优选不大于2MPa，更优选为0.5～1.5MPa，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，也可以使用脱模纸。烧结温度为200℃～300℃，烧结时间为120分钟～150分钟，烧结后冷却至40℃～60℃脱模。在此制作过程中，在发明人很多次的试验之后，得出在烧结温度范围在200℃～300℃内制作出的过滤介质，过滤效果更好。
本发明还提供了以下技术方案：一种由上述过滤介质构成的去除饮用水中甲醛的滤芯。
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。
本发明还提供了一种包括上述净水装置的饮水机。
本发明在上述原料的协同作用下，制备得到的过滤介质对水中甲醛的去除率高，方法简单，适用于受其污染的饮用水，免除元素甲醛对人体产生的伤害，使用简便，成本低，另外由于使用的是滤芯，不是粉体，所以无需后续处理，适合家庭终端饮水处理。经检测该过滤介质对饮用水中甲醛的去除率在98.4％以上。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的去除饮用水甲醛的过滤介质进行详细描述。
实施例1
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取蒙脱石粉50g；
(4)称取水滑石粉50g；
(5)称取发孔剂50g；
(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)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在260℃温度下烧结120分钟；
(8)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
实施例2
(1)称取超高分子量聚乙烯粉250g，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；
(2)称取医用活性炭粉75g，所述医用活性炭的比表面积为1500m2/g；
(3)称取200目、酸活化的蒙脱石粉75g；
(4)称取水滑石粉75g；
(5)称取发孔剂75g；
(6)将上述五种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在280℃温度下烧结130分钟；
(8)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
实施例3
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取200目、酸活化的蒙脱石粉100g；
(4)称取水滑石粉100g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)将上述五种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结150分钟；
(8)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
实施例4
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取200目、酸活化的蒙脱石粉100g；
(4)称取水滑石粉100g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取锰改性的麦饭石粉75g；
(7)将上述六种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(8)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结150分钟；
(9)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
实施例5
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取200目、酸活化的蒙脱石粉100g；
(4)称取水滑石粉100g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取蛭石粉100g；
(7)将上述六种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(8)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结150分钟；
(9)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
实施例6
(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-IV型产品，其分子量为450万；
(2)称取医用活性炭粉100g，所述医用活性炭的比表面积为1200m2/g；
(3)称取200目、酸活化的蒙脱石粉100g；
(4)称取水滑石粉100g；
(5)称取发孔剂100g；
(6)称取蛭石粉100g；
(7)称取锰改性的麦饭石粉75g；
(8)将上述七种粉末放入螺旋式搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(9)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结150分钟；
(10)自然冷却至40℃然后用脱膜纸脱模，即得滤芯。
比较例1
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取发孔剂50g；
(4)将上述三种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(5)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在260℃温度下烧结120分钟；
(6)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
比较例2
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)称取称取水滑石粉50g；
(4)将上述三种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(5)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在260℃温度下烧结120分钟；
(6)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
比较例3
(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-I型产品，其分子量为150万；
(2)称取医用活性炭粉50g，所述医用活性炭的比表面积为800m2/g；
(3)将上述两种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(4)将混合后的粉末装填入管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在260℃温度下烧结120分钟；
(5)自然冷却至50℃然后用硅氧烷铀脱模剂脱模，即得滤芯。
制备的滤芯的直径为50mm，长度为200mm。
实施例7
取实施例1～6以及比较例1～3所得的滤芯，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，用于处理水，经检测，该结构滤芯对水中的甲醛的去除效果好。如表1所示，为采用实施1～6以及比较例1～3提供的滤芯对水处理前后的甲醛的含量。
表1使用滤芯处理前后水中的甲醛含量，单位：mg/L
从表1可以看出，利用本发明的滤芯去除水中的甲醛取得了很好的效果，去除率在98.4％以上，该滤芯非常适合家庭终端饮用水处理的需要。
以上对本发明所提供的用于去除饮用水中甲醛的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质构成的滤芯进行了详细介绍。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种去除饮用水中甲醛的过滤介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂混合，得到混合物，所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；还包括麦饭石粉，所述麦饭石粉为经过锰改性的麦饭石粉；所述麦饭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为50～100:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100；
b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括蛭石粉。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述蛭石粉与所述超高分子量聚乙烯粉、活性炭粉、蒙脱石粉、水滑石粉和发孔剂的重量比为80～150:200～300:50～100:50～100:50～100:50～100。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法得到的用于去除饮用水中甲醛的过滤介质。
5.一种滤芯，其特征在于，由权利要求4所述的过滤介质构成。
6.一种净水装置，其特征在于，包括权利要求4所述的过滤介质或者权利要求5所述的滤芯。
7.一种饮水机，其特征在于，包括权利要求6所述的净水装置。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |