本發(fā)明屬于新材料和凈水器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種飲用水除砷濾芯及其制備方法。

背景技術(shù)：

砷是世界衛(wèi)生組織(who)、美國環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究院(niehs)和美國環(huán)保局(us-epa)等諸多權(quán)威機(jī)構(gòu)所公認(rèn)的致癌物。與受到砷污染的水長期接觸(包括皮膚接觸和飲用)，可引發(fā)心血管病變、神經(jīng)紊亂、全身乏力、食欲減退、惡心以及皮膚病變和角質(zhì)化等慢性中毒癥狀，還可能引起皮膚癌、肝癌、肺癌、腎癌、膀胱癌等癌變，對兒童的智力發(fā)育和身體發(fā)育也有嚴(yán)重影響。當(dāng)人體攝入超過一定劑量的砷就會引起急性砷中毒，造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙而導(dǎo)致全身麻木、肌肉抽搐、消化道和呼吸道病變，甚至快速死亡。

由于地質(zhì)變化和人類社會的持續(xù)發(fā)展，自然水體和土壤中的砷污染問題正變得日益嚴(yán)重。目前，世界范圍已有阿根廷、孟加拉國、印度、中國、美國等70多個(gè)國家和地區(qū)受到不同程度的砷污染威脅，受影響總?cè)丝诮咏?.5億。其中，僅我國的砷暴露人口就達(dá)2000萬，至少已有十三個(gè)省、自治區(qū)發(fā)現(xiàn)了飲水型砷中毒。對于受影響地區(qū)，最重要的行動是盡快提供安全的水供應(yīng)，防止進(jìn)一步接觸砷，以控制和減輕傷害。1993年，who將飲用水中砷的限值由50ppb降至10ppb，我國2006年修訂的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》也將砷標(biāo)準(zhǔn)提高到不超過10ppb，這樣的超低濃度要求對生活飲用水除砷技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

吸附法在處理低濃度含砷溶液時(shí)(如：200ppb以內(nèi))具有操作簡便、易于單元化、成本較低、處理后水質(zhì)變化小等優(yōu)點(diǎn)，因此最適合用于生活飲用水除砷。納米金屬氧化物由于具有較大的比表面積和豐富的表面功能基團(tuán)而表現(xiàn)出很好的砷吸附性能，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的生活飲用水除砷材料。但是，納米材料在應(yīng)用過程中，存在諸如透水性差、納米顆粒易流失、不易分離回收等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種飲用水除砷濾芯及其制備方法，采用材料配方設(shè)計(jì)和成型技術(shù)制備復(fù)合除砷濾芯，將納米除砷活性物質(zhì)固定在濾芯內(nèi)，同時(shí)保持濾芯的透水性和水流均勻性，以解決納米除砷顆粒使用不便、易流失造成成本增加和二次污染等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種飲用水除砷濾芯，由砷吸附粉劑、多孔顆粒砷吸附劑、添加劑和粘結(jié)劑組成，砷吸附粉劑的重量百分比為5～70％，多孔顆粒砷吸附劑的重量百分比為5～70％，添加劑的重量百分比為0～10％，粘結(jié)劑的重量百分比為10～30％。

所述的飲用水除砷濾芯，砷吸附粉劑為金屬粉、金屬氧化物粉、金屬氫氧化物粉或金屬羥基氧化物粉中的至少一種；多孔顆粒砷吸附劑為負(fù)載有納米砷吸附劑的活性氧化鋁、活性炭、分子篩、沸石、海泡石、多孔硅、泡沫硅或硅藻土多孔材料；添加劑為殼聚糖及其衍生物、螯合樹脂、鋅及其化合物、食品發(fā)泡劑中的至少一種；粘結(jié)劑為食品級pe膠粉、食品級pp膠粉、食品級pc膠粉、瓜爾豆膠、糊精中的至少一種。

所述的飲用水除砷濾芯，金屬粉為零價(jià)鐵、納米鐵、納米鎂、水合氧化鋁、氧化釔、氧化錳、氧化鑭、氧化鈦、鐵的氧化物、氧化鈰、氫氧化鎂、mg-fe-o、ti-ce-o、fe-mn-o中的至少一種，砷吸附粉劑的粒度范圍在0.005～50μm。

所述的飲用水除砷濾芯的制備方法，包括如下步驟：

(1)將砷吸附粉劑、多孔顆粒砷吸附劑、添加劑和粘結(jié)劑按比例進(jìn)行配比后，放入混合裝置中混勻；

(2)將上述混合后的原料輸送至成型設(shè)備中進(jìn)行成型或熱成型，得到不同形狀和結(jié)構(gòu)的除砷濾芯。

所述的飲用水除砷濾芯的制備方法，成型設(shè)備為擠出機(jī)、注射成型機(jī)或3d打印機(jī)。

所述的飲用水除砷濾芯的制備方法，除砷濾芯為管狀濾芯、板片狀濾芯、立體實(shí)心濾芯或組合濾芯。

所述的飲用水除砷濾芯的制備方法，根據(jù)原料成分和配比的不同，成型工序溫度在室溫至230℃之間。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種具有良好透水性和除砷性能的飲用水除砷濾芯，金屬或金屬氧化物納米粉體作為固定床進(jìn)行水體除砷時(shí)，由于孔隙過于細(xì)密，導(dǎo)致透水性很差，難以操作。如果將納米顆粒分散于水中，雖然可以充分發(fā)揮其比表面積大、與水接觸充分的優(yōu)勢，但是納米顆粒尺寸細(xì)小不易分離回收，不僅會造成材料流失，還可能引起二次污染。本發(fā)明對具有不同功能的幾種組分進(jìn)行復(fù)合，然后采用簡單的成型方法制成除砷濾芯。該方法可將高效的納米粉體砷吸附劑與多孔材料結(jié)合在一起，組成具有良好砷吸附性能的高透水除砷濾芯。為了避免砷超標(biāo)水從多孔材料中“短路”流過，對多孔材料也進(jìn)行負(fù)載，使其也具備一定的砷吸附能力。通過調(diào)整成分配方和成型工藝，可對除砷濾芯的組分和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化，得到滿足不同流量和砷濃度處理要求的飲用水除砷濾芯。將該除砷濾芯固定于水處理器中，砷超標(biāo)的飲用水流經(jīng)該濾芯后砷濃度即可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下，操作簡單，除砷性能穩(wěn)定可靠。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

1、本發(fā)明除砷濾芯由砷吸附粉劑、多孔顆粒砷吸附劑、添加劑和粘結(jié)劑按比例混合均勻后，在適當(dāng)溫度成型而成。將納米顆粒吸附劑的高效除砷性能和多孔材料的均勻透水性結(jié)合在一起，除砷活性成分結(jié)合牢固，所制成的濾芯疏松多孔、透水性好、強(qiáng)度優(yōu)良，材料與水接觸充分，具有優(yōu)異的除砷性能，可將飲用水中的超標(biāo)砷直接降低至飲用水標(biāo)準(zhǔn)(10ppb)以下。

2、本發(fā)明解決了活性炭、分子篩等過濾材料除砷性能差，以及納米顆粒除砷材料易流失、透水性差等問題。

3、本發(fā)明除了添加納米粉體砷吸附劑外，對多孔材料進(jìn)行負(fù)載活化，保證了濾芯的砷吸附容量和可靠性。

4、本發(fā)明所制備的除砷濾芯使用簡單、性能穩(wěn)定可靠，且濾芯易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)。

具體實(shí)施方式

在具體實(shí)施過程中，本發(fā)明采用金屬粉或金屬(氫)氧化物粉或金屬羥基氧化物粉作為砷吸附粉劑的主要活性成分，采用負(fù)載有砷吸附組分的多孔顆粒材料作為造孔劑，并加入適量的粘結(jié)劑和添加劑，混合均勻后，在適當(dāng)?shù)臏囟认鲁尚?，制成具有高效除砷性能和高透水性能的飲用水除砷濾芯。優(yōu)選的，砷吸附粉劑的重量百分比為10～50％，多孔顆粒砷吸附劑的重量百分比為10～50％，添加劑的重量百分比為3～6％，粘結(jié)劑的重量百分比為15～25％。

其中：砷吸附粉劑可以為金屬粉(零價(jià)鐵、納米鐵、鎂粉)、(氫)氧化物或羥基氧化物(水合氧化鋁、氧化釔、氧化錳、氧化鑭、氧化鈦、鐵的氧化物、氧化鈰、氫氧化鎂等)、二元以上金屬氧化物或氫氧化物(mg-fe-o、ti-ce-o、fe-mn-o等)，以及由上述粉體與其他粉體組成的復(fù)合物，砷吸附粉劑的粒度范圍優(yōu)選為0.005～0.5μm。多孔顆粒砷吸附劑為負(fù)載有納米砷吸附劑(納米砷吸附劑可以為納米羥基氧化鐵、納米零價(jià)鐵、納米氧化鋅、納米二氧化鈦、納米氧化鈰、納米氧化鋯、鐵錳鈰納米復(fù)合氧化物中的一種或多種，納米砷吸附劑所占的重量比例為1～30％)的活性氧化鋁、活性炭、分子篩、沸石、海泡石、多孔硅、泡沫硅、硅藻土等多孔材料，多孔材料的孔隙率為20％～80％，平均孔徑為0.005～1μm。添加劑為殼聚糖及其衍生物、螯合陰樹脂、鋅及其化合物、食品發(fā)泡劑中的至少一種。粘結(jié)劑為食品級pe膠粉、食品級pp膠粉、食品級pc膠粉、瓜爾豆膠、糊精等中的至少一種。

本發(fā)明通過調(diào)整成分配方和成型工藝，可對除砷濾芯的組分和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到滿足不同流量和砷濃度處理要求的飲用水除砷濾芯。砷超標(biāo)的飲用水流經(jīng)該濾芯后，砷濃度即可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下。本發(fā)明所制得的除砷濾芯使用簡單，除砷性能穩(wěn)定可靠，較好地解決了活性炭、分子篩等過濾材料除砷性能差的問題。同時(shí)，克服了納米粉體除砷材料易流失、透水性差，顆粒除砷材料易“短路”、除砷效率低等問題。

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，將2kg納米零價(jià)鐵粉末、2.5kg粒度60目的活性炭顆粒(活性炭顆粒負(fù)載有納米砷吸附劑，納米砷吸附劑為納米氧化鋅，其所占重量比為2.5％)和0.7kg食品級pe膠粉裝入高速混合機(jī)中，高速混合15分鐘后備用。將管式擠壓機(jī)(擠出的管道外徑63mm、內(nèi)徑38mm)分段預(yù)熱，各段溫度依次達(dá)到110℃、130℃和160℃后，利用螺旋送料機(jī)將混合料粉以40mm/min的線速度送入管式擠壓機(jī)，在溫度為160℃的工作區(qū)域熱擠壓成型。管狀多孔材料成型后，用切割機(jī)將其分割成長度為10英寸的段，并用帶中心孔的硅膠圈對其兩端進(jìn)行膠封，得到飲用水除砷濾芯i。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，將1kg水合二氧化鈰納米粉、1.8kg粒度45目的食品級硅藻土、0.05kg納米氧化鋅、0.1kg殼聚糖和0.5kg食品級pe膠粉裝入高速混合機(jī)，高速混合15分鐘后備用。將電動熱壓機(jī)壓頭和熱壓模具(ф63mm)加熱到135℃，然后往模具中加入50g混合粉，預(yù)熱10min，然后在15mpa的壓力下熱壓5min。取出模具自然冷卻至70～80℃時(shí)，將模具中的片狀多孔濾板取出，冷卻至室溫備用。將9片多孔濾板疊層裝入內(nèi)徑為63mm的可拆裝濾瓶中，兩端用海綿墊墊上然后封裝，得到飲用水除砷濾芯ii。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，將飲用水除砷濾芯i安裝到適用于10英寸濾芯的pvc標(biāo)準(zhǔn)濾瓶中，其進(jìn)水口與ro-50自吸泵的出水口相連，ro-50自吸泵的進(jìn)水口與含砷原水罐相連，所用水管的內(nèi)徑均為4mm。打開ro-50自吸泵后，含砷水以1.1l/min的流速流經(jīng)除砷濾芯，與未裝濾芯時(shí)1.17l/min的流速相差不大，說明除砷濾芯的透水性很好。經(jīng)檢測，處理前后的水中的總砷濃度分別為68ppb和0.49ppb。由此可見，應(yīng)用本發(fā)明中的除砷濾芯i可將飲用水中的超標(biāo)砷降低至飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下。

實(shí)施例4

本實(shí)施例中，將飲用水除砷濾芯ii安裝到適用于10英寸濾芯的pvc標(biāo)準(zhǔn)濾瓶中，其進(jìn)水口與ro-50自吸泵的出水口相連，ro-50自吸泵的進(jìn)水口與含砷原水罐相連，所用水管的內(nèi)徑均為4mm。打開ro-50自吸泵后，含砷水的流速穩(wěn)定在0.94l/min附近，與未裝濾芯時(shí)1.17l/min的流速相比略有下降，但仍可穩(wěn)定流過，說明除砷濾芯的透水性可以滿足要求。本實(shí)施例中原水的砷濃度為433.1ppb，處理后水中的砷濃度為2.8ppb，說明在原水砷濃度較高的情況下，經(jīng)過本發(fā)明中的除砷濾芯處理后仍能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下。

實(shí)施例5

本實(shí)施例中，將1.5kg納米鐵粉末、2.0kg粒度60目的活性氧化鋁顆粒(活性氧化鋁顆粒負(fù)載有納米砷吸附劑，納米砷吸附劑為納米氧化鋯，其所占重量比為8％)和0.6kg瓜爾豆膠粉裝入高速混合機(jī)中，高速混合10分鐘后備用。將管式擠壓機(jī)(擠出的管道外徑63mm、內(nèi)徑38mm)分段預(yù)熱，各段溫度依次達(dá)到110℃、130℃和160℃后，利用螺旋送料機(jī)將混合料粉以40mm/min的線速度送入管式擠壓機(jī)，在溫度為160℃的工作區(qū)域熱擠壓成型。管狀多孔材料成型后，用切割機(jī)將其分割成長度為10英寸的段，并用帶中心孔的硅膠圈對其兩端進(jìn)行膠封，得到飲用水除砷濾芯iii，應(yīng)用本發(fā)明中的除砷濾芯iii可將飲用水中的超標(biāo)砷降低至飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下。

實(shí)施例6

本實(shí)施例中，將2.5kg氫氧化鎂納米粉、1.5kg粒度30目的沸石、0.1kg納米氧化鋅、0.05kg螯合樹脂和0.8kg食品級pp膠粉裝入高速混合機(jī)，高速混合20分鐘后備用。將電動熱壓機(jī)壓頭和熱壓模具(ф63mm)加熱到135℃，然后往模具中加入50g混合粉，預(yù)熱10min，然后在15mpa的壓力下熱壓5min。取出模具自然冷卻至70～80℃時(shí)，將模具中的片狀多孔濾板取出，冷卻至室溫備用。將9片多孔濾板疊層裝入內(nèi)徑為63mm的可拆裝濾瓶中，兩端用海綿墊墊上然后封裝，得到飲用水除砷濾芯iv，應(yīng)用本發(fā)明中的除砷濾芯iv可將飲用水中的超標(biāo)砷降低至飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下。

以上實(shí)施例結(jié)果表明，用本發(fā)明中的方法制備的飲用水除砷濾芯，將納米材料的高效除砷性能和多孔材料的高透水性很好的結(jié)合在了一起，濾芯整體孔隙豐富而均勻，具有優(yōu)異的除砷性能和良好的透水性，可將不同濃度含砷水中的砷處理到飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下，在去除飲用水中超標(biāo)的砷方面具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。