一种银氮掺杂多孔陶净水器及其制备方法与流程

本发明属于饮用水处理技术领域，涉及一种银氮掺杂多孔陶净水器，具体涉及一种由粘土、稻壳、银氮共掺杂的纳米二氧化钛、纳米银组成的多孔陶净水器及其制备方法。

背景技术：

目前全球超过17亿人喝不到安全卫生的饮用水，在大多数发展中国家，传统的安全卫生管道输水方式普及需要至少几十年的时间，这也意味着一些贫困地区的人们不得不以家庭为单位在户外采集河水、湖水或降水，并进行自处理、储存来维持家庭日常用水。在我国，农村人口占总人口的大多数，农村地区的饮用水安全问题比城市更为严重，尤其是中西部地区和贫困地区。因此，价格低廉、操作简单的家庭式水处理装置-纳米颗粒负载多孔陶净水器应运而生，该净水器操作简单，便于在农村贫困地区推广。

纳米二氧化钛因其价格低廉，原料易获得，化学稳定性好等优点，在能量转化、空气和水质净化等方面有广泛的应用前景，但在实际应用方面仍有很多不足。对太阳光的利用率不高，主要依赖紫外光，量子效率不高。因此，通过合适的方法对纳米二氧化钛改性，开发一种具有更高催化活性和稳定性的纳米二氧化钛一直是众多科研工作者攻克的难题。

目前，大多数针对纳米二氧化钛的改性实验是对其进行金属离子掺杂、贵金属掺杂、非金属掺杂，这些方法在一定程度上使纳米二氧化钛的光吸收带发生红移，但不能完全摆脱紫外光的限制，本发明将纳米二氧化钛进行金属和非金属共掺杂，开发一种在可见光下具有一定催化活性和反应稳定性的银氮共掺杂纳米二氧化钛，并将其负载到多孔陶表面，实现对原水的深度净化。

现有技术中国专利文献号cn10169631b记载了一种多孔陶粒的制备方法，该法在一定程度上在净水过滤中有杀菌作用，但该法对于颗粒状物质前期处理较复杂，造孔剂粒径较小，孔隙率不高，导致过滤速度变慢，作为陶粒状的水体修复剂，在制作过程中加入了很多金属，在处理过程中使用不当容易造成二次污染。文献专利号cn101041134b采用银氮共掺杂的纳米二氧化钛负载到竹炭上，一方面竹炭比表面积大，对有害物质有较好的吸附效果，另一方面，银氮共掺杂对纳米二氧化钛改性使其光吸收带红移，并不能实现无光源条件下的完全杀菌，所以在此专利中杀菌效果不稳定，对大肠杆菌的去除率为90％，并不能达到饮用水标准中对大肠杆菌的要求。

技术实现要素：

本发明为了解决以下问题：

在我国农村地区，特别是西北部的农村地区，降水少，经济条件落后，很多地区都没有通上自来水管道用水，只能采用井水、河水地下水和浅层地表水，由于环境污染，水源水中的氟、砷、bod、cod、细菌病毒数量严重超标，尤其是水源地中的大肠杆菌含量超标严重，轻则引起腹泻、痢疾，重则危及生命。

市面上现有的饮水器价格不菲，有些需要定期维护和更换，依靠电力，操作复杂，虽然有一定的处理效果，但是耗电量大，维护成本高、价格贵、在使用方面不适合农村地区的基本情况。

针对现有技术的不足，本发明因地制宜，就地取材，旨在开发一种价格低廉，环保绿色，广谱抗菌，对水中污染物有较好去除效果，并适合农村地区现有情况的家用多孔陶净水器。

为了解决上述问题，本发明提供了一种银氮掺杂多孔陶净水器，且能充分利用太阳能，就地取材，成本低，易于操作，工艺简单，其特征在于，所述多孔陶净水器包括由多孔陶组成的一级过滤系统和二级过滤系统，以及由天然麦饭石构成的三级过滤系统，所述一级过滤系统的多孔陶呈中空有底的四棱台状，其中原水从四棱台的底面和侧面流出，以便去除原水中悬浮物、有机物和部分微生物。所述二级过滤系统由节能灯、反光板和银氮共掺杂纳米二氧化钛负载的多孔陶组成，所述二级过滤系统的多孔陶的表面喷涂有银氮共掺杂纳米二氧化钛，并且，在所述二级过滤系统的多孔陶的底面涂刷有纳米银。所述一级过滤系统和所述二级过滤系统之间设有可伸缩挡板和水龙头，用于实现净水器的多功能使用。所述多孔陶净水器的器壁和顶部设有太阳能发电板，以便为所述节能灯供电。在所述三级过滤系统的下方设有饮用水加热装置，以便提供热水。

本发明所述一级过滤系统的多孔陶制造步骤包括如下步骤：

步骤一：天然稻壳和陶土在球磨机中磨碎，稻壳过40目筛，黏土过80目筛，以稻壳：黏土重量比＝1:2.5混合搅拌，其中以水为粘结剂混合成黏土块；

步骤二：把混合好的黏土块放入模具中压模，处理表面使其表面光滑，并进行标记，然后根据天气情况室温下晾5-10天；以及

步骤三：把完全晾干的陶瓷配件放到马弗炉中烧制，升温速度为2℃/min，烧制500分钟至最高温度为1000-1100℃，炉中自然冷却，得到所需陶瓷器件，随着烧制温度的升高，稻壳充分燃烧在陶瓷器件内部和表面形成气孔，从而截留原水中的悬浮物和微生物。

本发明的主要特征在于所述二级过滤系统的多孔陶制造步骤包括如下步骤：

步骤一：天然稻壳和陶土在球磨机中磨碎，稻壳过80目筛，黏土过80目筛，以稻壳：黏土重量比＝1:2.7混合搅拌，其中以水为粘结剂混合成黏土块；

步骤二：把混合好的黏土块放入模具中压模，处理好表面使其表面光滑，并进行标记，根据天气情况室温下晾5-10天；

步骤三：把完全晾干的陶瓷配件放到马弗炉中烧制，升温速度为2℃/min，烧制500分钟至最高温度为1000-1100℃，并在最高温度处设定保温时间1.5小时，炉中自然冷却，得到所需多孔陶配件；

步骤四：取银氮共掺杂纳米二氧化钛粉末，并加入锐钛型纳米二氧化钛分散剂和水，配制质量分数为2.5％的纳米二氧化钛溶液，然后在磁力搅拌器中搅拌1小时，接着在超声机中超声1小时，以保证纳米二氧化钛的充分分散；

步骤五：用喷枪把上述银氮共掺杂的纳米二氧化钛喷涂到多孔陶配件表面，喷涂20秒，喷涂距离为0.45米，常温下干燥；以及

步骤六：取上述多孔陶，翻至底面，用刷子涂刷纳米银4层，常温下干燥后即可得需要的多孔陶配件。

所述银氮共掺杂纳米二氧化钛粉末制造方法包括如下步骤：

步骤a：将市售p25纳米二氧化钛与处理好的尿素以摩尔比＝2:1混合搅拌，将其放入马弗炉中煅烧，升温速度为1.5℃/min，烧制250分钟至最高温度为350-400℃，炉中自然冷却，得到氮掺杂纳米二氧化钛粉末；以及

步骤b：取硝酸银溶液于氨水中，并把上述制得的氮掺杂的纳米二氧化钛粉末分散其中，用磁力搅拌器搅拌1小时，在水热反应釜中200℃反应3小时，室温下冷却后用清水水洗，在烘箱烘干，即得银氮共掺杂的纳米二氧化钛粉末。

本发明与现有的技术相比的优点：

1、净水器顶部和外壁设有太阳能电池板，电池板旁设有隔热层，将太阳能转化成电能，为二级过滤处理系统中的节能灯和底部的加热装置提供电能，实现净水器本身完全自给自足环保绿色的目标。

2、采用三级过滤处理系统，大大提高出水水质，中间设有可伸缩挡板，可实现净水器的多功能使用，进一步满足用户需求。陶瓷器件的化学稳定性好，不会与其他物质发生化学反应造成二次污染，孔隙率高，强度高，在水的冲击压力下不会变形，采用的天然原料无毒无味，无异物脱落，不会产生二次污染，具有较长的使用寿命。

3、在二级过滤系统，在多孔陶表面负载银氮共掺杂纳米二氧化钛，其上方设有节能灯，对进水进行光催化杀菌，在多孔陶底面负载纳米银，可有效杀死水中细菌病毒，保证出水水质，杀菌率可达到100％，出水中的细菌和病毒数量符合饮用水标准。

附图说明

图1为多孔陶净水器的主视图。

图2为多孔陶净水器在打开可伸缩挡板，只进行一级过滤处理的主视图。

图3为多孔陶净水器的俯视图。

图中，1-隔热层、2-太阳能发电板、3-一级多孔陶过滤系统、4-节能灯、5-反光板、6-出水水龙头、7-按钮、8-可伸缩挡板、9-二级过滤系统-银氮共掺杂纳米二氧化钛负载多孔陶、10-太阳能发电板、11-隔热层、12-三级过滤系统-天然麦饭石、13-按钮、14-出水水龙头、15-加热装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

原水进入一级多孔陶过滤系统3，用于制作一级多孔陶的稻壳粒径为40目，约0.425mm，稻壳：黏土的质量比为2.5:1，孔隙率较大，过滤速率大于二级过滤系统，能阻挡原水中悬浮物、有机物和大部分细菌，如图2所示，按下按钮7，可伸缩挡板8阻挡水继续向下过滤，打开水龙头6即可使用。若用饮用水，如图1所示，从一级过滤系统3过滤下来的水进入二级过滤系统9，二级过滤系统中多孔陶的稻壳粒径为80目，约0.180mm，稻壳：黏土的质量比为1:2.7，对较小的细菌和颗粒物有过滤作用，二级过滤系统中的银氮共掺杂纳米二氧化钛负载多孔陶在4节能灯5反光板光照下对流经其表面的原水中的细菌病毒重金属都有去除的作用。当原水流过多孔陶，其底面的纳米银进一步杀死水中的细菌和病毒，保证出水的无菌无毒。所述二级过滤系统的制造步骤包括如下步骤：

步骤一：天然稻壳和陶土在球磨机中磨碎，稻壳过80目筛，黏土过80目筛，以稻壳：黏土重量比＝1:2.7混合搅拌，其中以水为粘结剂混合成黏土块；

步骤二：把混合好的黏土块放入模具中压模，处理好表面使其表面光滑，并进行标记，根据天气情况室温下晾5-10天；

步骤三：把完全晾干的陶瓷配件放到马弗炉中烧制，升温速度为2℃/min，烧制500分钟至最高温度为1000-1100℃，并在最高温度处设定保温时间1.5小时，炉中自然冷却，得到所需多孔陶配件；

步骤四：取银氮共掺杂纳米二氧化钛粉末，并加入锐钛型纳米二氧化钛分散剂和水，配制质量分数为2.5％的纳米二氧化钛溶液，然后在磁力搅拌器中搅拌1小时，接着在超声机中超声1小时，以保证纳米二氧化钛的充分分散；

步骤五：用喷枪把上述银氮共掺杂的纳米二氧化钛喷涂到多孔陶配件表面，喷涂20秒，喷涂距离为0.45米，常温下干燥；以及

步骤六：取上述多孔陶，翻至底面，用刷子涂刷纳米银4层，常温下干燥后即可得需要的多孔陶配件。

所述一级过滤系统的制造步骤包括如下步骤：

步骤一：天然稻壳和陶土在球磨机中磨碎，稻壳过40目筛，黏土过80目筛，以稻壳：黏土重量比＝1:2.5混合搅拌，其中以水为粘结剂混合成黏土块；

步骤二：把混合好的黏土块放入模具中压模，处理表面使其表面光滑，并进行标记，然后根据天气情况室温下晾5-10天；以及

步骤三：把完全晾干的陶瓷配件放到马弗炉中烧制，升温速度为2℃/min，烧制500分钟至最高温度为1000-1100℃，炉中自然冷却，得到所需陶瓷器件，随着烧制温度的升高，稻壳充分燃烧在陶瓷器件内部和表面形成气孔，从而截留原水中的悬浮物和微生物。

所述银氮共掺杂纳米二氧化钛粉末制造方法包括如下步骤：

步骤a：将市售p25纳米二氧化钛与处理好的尿素以摩尔比＝2:1混合搅拌，将其放入马弗炉中煅烧，升温速度为1.5℃/min，烧制250分钟至最高温度为350-400℃，炉中自然冷却，得到氮掺杂纳米二氧化钛粉末；以及

步骤b：取硝酸银溶液于氨水中，并把上述制得的氮掺杂的纳米二氧化钛粉末分散其中，用磁力搅拌器搅拌1小时，在水热反应釜中200℃反应3小时，室温下冷却后用清水水洗，在烘箱烘干，即得银氮共掺杂的纳米二氧化钛粉末。

接着，水进入三级过滤系统12，其中的天然麦饭石能吸附水中的有机物和有害物质，增加水中的矿物质和微量元素，提高饮用水的水质和口感。净水器底部设有加热装置15，按下按钮13可对出水进行加热，打开水龙头14即可饮用。在净水器的顶部和周边设有太阳能发电板2、10，其外面设有隔热层1、11，实现装置的自给自足，环保绿色，无二次污染。如图3所示，本发明外形为长方体，其中的一级过滤系统是一个中空有底的四棱台；二级过滤系统是由一个负载纳米颗粒的长方体多孔陶组成，两边有垫圈进行固定，其上方设有节能灯，四周设有反光板；三级过滤系统是由天然麦饭石组成的长方体组成，两边有垫圈进行固定。

实施例：河水净水实验

实验操作：取一定量的河水于本净水器中，河水进水水质为：toc4.5mg/l，cod:4mg/l，总粪大肠杆菌菌群：341828个/l，按下按钮7，分别在水龙头6和水龙头14接出水并对出水中的指标进行检测。

实验表明：经过本发明处理后水龙头6的出水满足自来水水质标准，水龙头14的出水满足饮用水水质标准。因此本发明在饮用水处理过程中效果显著，环保绿色，无二次污染，使用寿命较长，具有广阔的市场前景。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。