一种重金属离子矿化柱、重金属离子矿化净水器

本实用新型属于水处理技术领域，特别是涉及一种重金属离子矿化柱、重金属离子矿化净水器。

背景技术：

目前中国居民摄入的饮用水基本来自自来水厂的净化水，目前，我国自来水厂99％以上仍是采用常规的处理方法，即混凝-沉淀-过滤-加氯消毒净化工艺，并在水中保持一定的余氯将水送至用户，这种净化工艺主要是去除悬浮物、胶体和细菌，而其去除溶解性有机物的效率是极低的，并且加氯消毒虽然杀灭了水中的细菌，但液氯一旦与水中的有机物结合，将产生大量的有机卤化物(三卤甲烷，thms)，并占饮用水中合成有机物的绝大部分，不仅原水中的有机致突变物不能去除，反而会成倍增加。

而同时，在自来水出厂后到客户家中的这一段运输过程。由于输水管网等设备的老化，管道内难免会对自来水造成一定的污。比如，水在流经未经涂衬的金属管道、配件、水箱的过程中，由于ph值、溶解氧等作用，会对管道内壁造成较严重的腐蚀，产生大量的金属锈蚀物，造成水体中金属离子的超标。同时，水管内防锈漆的附着力极差，一般3～6个月就脱落；而且防锈漆的主要成分是二氧化铅，易造成水体中铅金属含量超标。此外，城市小区的二次供水系统由于常年老化，没有及时清理等问题，容易造成微生物污染、重金属污染和有机物的污染。中国疾病预防控制中心监督数据显示，全国3671份二次供水水质的合格率仅为80.8％，常规主要超标中除微生物和余氯外，普遍出现铁等重金属离子、浑浊度、肉眼可见物的超标情况。

由于生活用水包括饮用水和烹调用水等只占城市供水的0.5％-2％，因此自来水厂若将全部水都处理到高质量的水则成本过高。因此，十几年来作为提供优质饮用水的净水器，在国内外均得到了很大的发展，净水器既能解决自来水的二次污染又没有瓶装水的成本高又可以替代桶装水，是家庭健康用水的首选。

根据水质和需求的不同，目前可选择的市售主流家用净水器产品主要有粗滤、超滤净水机、ro反渗透净水机等几种。它们是一般为多级滤芯净水器，是按照产品核心滤芯的材料来进行区分的。滤芯的材质主要有pp纤维棉、活性炭、美国kdf(一种铜锌合金)、离子交换树脂、uf超滤膜、ro反渗透膜等。pp棉滤芯采用无毒无味的聚丙烯为原料，具有流量大、耐腐蚀、耐高压、低成本等特点，可去除水中泥沙，铁锈，水藻等大颗粒物质。活性炭滤芯能够吸附固体杂质、余氯、挥发性有机物、异味和部分重金属等。kdf是一种高纯度的铜锌合金，能够去除水中的部分重金属与酸根离子，提高水的活化程度。离子交换树常被用作软水滤芯，它可以去除原水中的钙、镁等阳离子，改善水的口感，解决硬水软化问题，并减少金属离子在人体的沉淀，降低人体结石的几率。超滤膜是由一束中空纤维制成的滤芯，其孔径一般为10～100nm，可除去水中的铁锈、泥沙、细菌、病毒等，且出水量大，不耗电，不产生废水，适用于家庭中央分质净水器。纳滤膜孔径更小，可达1～2nm，但必须通过高压泵加压才能正常工作，且价格昂贵。反渗透膜的孔径可达0.1nm，因此几乎可以除去水中的所有杂质，得到纯净水。

重金属离子对人体毒害性大，离子直径小，一直以来是净水过程中的难点。重金属离子直径多在1nm以下。从目前的技术来看，适用于去除重金属的家用净水器有以下几种技术，一是活性炭吸附，二是kdf(铜锌合金)的电化学反应，三是ro反渗透膜的滤除。但活性炭吸附重金属离子的能力有限，且与其质量有很大关系，仅适用于粗滤过程；kdf电化学反应会导致处理后的水铜锌离子超标，在日本已经被明令禁止用于饮用水的水处理领域。除具有吸附作用的活性炭和电化学氧化还原及催化作用的kdf外，基于过滤和膜分离的净化技术的滤芯，其孔径大小决定了处理能力。只有过滤精度小于以上重金属离子直径，才可以有效去除水中的重金属污染。ro反渗透膜孔径可达到0.1nm，因此几乎成为净水器行业安全有效地处理重金属离子的唯一选择。但ro反渗透净水器也同样存在不可掩饰的缺点，一是价格昂贵，目前ro反渗透净水器的市售价格普遍在几千元，属于中高端产品；二是ro反渗透膜寿命较短，易堵塞，现在企业设计的ro膜使用寿命为3～5年，但是在实际应用上的期限只有1～2年，且反渗透膜滤芯容易堵塞，从而引发故障率高、水质不稳定、噪音大等一系列问题；三是出水量小，废水量大，同时电耗相对较高，目前反渗透净水器的废水比约1:3，即制一杯纯水至少产生3杯以上废水，水的利用率低，造成资源浪费。

因此，如何研发一种价格较低、绿色环保、吸附性能优良的复合材料，对于解决国内外净水器领域的问题有重要意义；同时，一种低成本的净水器能解决普通家庭对净化水的生活需求，具有广阔的市场前景。

技术实现要素：

本实用新型针对市售家用净水器产品在重金属离子污染净化方面存在的成本高、效率低、资源浪费等问题，在研发绿色环保、吸附性能优良的复合材料，并以此为核心科技的基础上，旨在开发一套完整的家用净水器，形成智能家用净水器终端产品。该净水器将净水和自动化控制有机结合，可高效、低成本地应用于水质净化；且利用该装置处理原水过程简单、操作方便，同时能在线对净水器进行监测和操控。

为了实现上述技术目的，本实用新型提供了如下几种实施方式：

一种用于净水器的重金属离子矿化柱，所述重金属离子矿化柱腔体内在进口和出口之间填充满重金属吸附材料，所述重金属吸附材料由非晶体羟基氧化铁纳米颗粒负载在多孔硅胶球表面构成，所述多孔硅胶球的直径为150～250μm，所述非晶体羟基氧化铁纳米颗粒的粒径为10～50nm，多孔硅胶球与非晶体羟基氧化铁纳米颗粒的比例以多孔硅胶球中的硅与非晶体羟基氧化铁纳米颗粒中的铁的摩尔质量比为10～20:1计量。

本实用新型的重金属吸附材料中吸附砷、铜、铅、锌、铬等重金属的活性材料为非晶体羟基氧化铁纳米颗粒，相对于一般的羟基氧化铁材料，非晶体羟基氧化铁纳米颗粒具有不定形晶体结构，对水溶液中的砷、铜、铅、锌、铬等重金属表现出更高的吸附活性，且非晶体羟基氧化铁纳米颗粒及多孔硅胶球对水的亲和性好，有利于其在水中的分散。而多孔硅胶球作为载体材料，其具有多孔结构和比表面大的特点，可以将非晶体羟基氧化铁纳米颗粒充分分散稳定负载在多孔硅胶球表面，不但能够使非晶体羟基氧化铁纳米颗粒暴露更多的吸附活性位点，而且可以利用多孔硅胶球对水中砷、铜、铅、锌、铬等重金属的物理吸附作用来实现水中砷、铜、铅、锌、铬等重金属在非晶体羟基氧化铁纳米颗粒活性物质附近的富集，对水溶液中砷、铜、铅、锌、铬等重金属的吸附起到辅助作用，从而可以实现水溶液中砷、铜、铅、锌、铬等重金属的深度脱除。且多孔硅胶球安全无毒，可以用于饮用水的脱砷、铜、铅、锌、铬等重金属，不会造成二次污染。非晶体羟基氧化铁纳米颗粒负载在多孔硅胶球表面后，形成微米级颗粒材料，有利于回收或者用于装载固定柱。

利用上述重金属离子矿化柱，本实用新型还包括一种重金属离子矿化净水器，包括净化水系统，所述净化水系统包括从进水管进口到净水管出口依次串联的多层滤料柱、阴离子交换柱、重金属离子矿化柱和水质软化柱。利用重金属离子矿化柱，本实用新型的重金属离子矿化净水器能够有效实现水质中重金属的净化，净水器装置内部所用的材料价格较为低廉，制备成本较低，材料造价及使用成本远远低于目前饮用水净化工艺，即使后续水处理还采用膜工艺，也可以大大减轻膜的负担，提高膜的使用寿命。重金属超强矿化复合材料的制备简单、易得，且属于绿色环保、吸附性能优良的吸附材料，能实现重金属离子的超强矿化和高效去除，同时弥补了反渗透膜价格高、寿命短、废水量大等缺陷，在家用净水器领域应用潜力巨大。

本实施方式中，多层滤料柱过滤孔径能过滤1μm颗粒。

本实施方式中，所述进水管上设有进水电磁阀。

本实施方式中，还包括反冲洗系统，所述反冲洗系统通过管路分别与多层滤料柱、阴离子交换柱、重金属离子矿化柱和水质软化柱连通进行反冲洗。

本实施方式中，所述反冲洗系统包括试剂a管和试剂b管，所述多层滤料柱、阴离子交换柱、重金属离子矿化柱和水质软化柱上分别设有反冲洗进管和反冲洗出管，所述试剂b管的出口和试剂a管的出口分别与四个三通电磁阀连通后再与所述多层滤料柱、阴离子交换柱、重金属离子矿化柱和水质软化柱对应的反冲洗进管分别连接，所述反冲洗出管上通过反冲洗排水电磁阀与下水管连接。

本实施方式中，所述多层滤料柱、阴离子交换柱、重金属离子矿化柱和水质软化柱的反冲洗出管两个为一组分别通过一个三通的反冲洗排水电磁阀与下水管连接。

本实施方式中，还包括监控系统，所述监控系统包括plc、净化水重金属离子浓度监测装置和反洗水重金属离子浓度监测装置，所述净化水重金属离子浓度监测装置安装在净水管上，所述反洗水重金属离子浓度监测装置安装在下水管上，所述净化水重金属离子浓度监测装置和反洗水重金属离子浓度监测装置与plc电连接，所述进水电磁阀、反冲洗排水电磁阀、三通电磁阀与plc电连接，所述plc内设有通讯模块。

相对现有技术，本实用新型的技术方案带来的有益效果：

1、本实用新型的重金属离子矿化净水器能够有效实现水质净化，可处理砷、铜、铅、锌、铬等重金属离子，在砷、铜、铅、锌、铬等重金属离子超标的情况下，经过金属离子超强矿化柱后都达到了饮用水标准。而且本装置内部所用的材料价格较为低廉，制备成本较低，材料造价及使用成本远远低于目前饮用水净化工艺，即使后续水处理还采用膜工艺，也可以大大减轻膜的负担，提高膜的使用寿命。重金属超强矿化复合材料的制备简单、易得，且属于绿色环保、吸附性能优良的吸附材料，能实现重金属离子的超强矿化和高效去除，同时弥补了反渗透膜价格高、寿命短、废水量大等缺陷，在家用净水器领域应用潜力巨大。

2、本实用新型包括净化水系统、反冲洗系统和监控系统，装置设置简单，能快速、高效地实现水质净化。

3、本实用新型的重金属离子矿化净水器装置处理水质的过程被实事监控和调整，成本较低，满足市场需求。

附图说明

图1为本实用新型的重金属离子矿化净水器装置截面简图。

附图中，1、多层滤料柱，2、阴离子交换柱，3、金属离子矿化柱，4、水质软化柱，5、进水电磁阀，6、净化水重金属离子浓度监测装置，7、反冲洗排水电磁阀，8、反洗水重金属离子浓度监测装置，9、下水管，10、反冲洗系统，11、试剂a管，12、试剂b管，13、三通电磁阀。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本实用新型内容，而不是限制本实用新型权利要求的保护范围。

以下实施例中涉及的重金属离子矿化净水器装置如图1所示。重金属离子矿化净水器共由三部分构成，净化水系统、反冲洗系统和监控系统，

所述净化水系统包括从进水管进口到净水管出口依次串联的多层滤料柱1、阴离子交换柱2、重金属离子矿化柱3和水质软化柱4。所述重金属离子矿化柱3内在进口和出口之间填充满由非晶体羟基氧化铁纳米颗粒负载在多孔硅胶球表面构成的重金属吸附材料，所述多孔硅胶球的直径为150～250μm，所述非晶体羟基氧化铁纳米颗粒的粒径为10～50nm，多孔硅胶球与非晶体羟基氧化铁纳米颗粒的比例以多孔硅胶球中的硅与非晶体羟基氧化铁纳米颗粒中的铁的摩尔质量比为10～20:1计量。

本实施例中，所述进水管上设有进水电磁阀5，进水电磁阀5为两通阀。

所述反冲洗系统包括试剂a管11和试剂b管12，所述多层滤料柱1、阴离子交换柱2、重金属离子矿化柱3和水质软化柱4上分别设有反冲洗进管和反冲洗出管，所述试剂b管12的出口和试剂a管11的出口分别与四个三通电磁阀13连通后再与所述多层滤料柱1、阴离子交换柱2、重金属离子矿化柱3和水质软化柱4对应的反冲洗进管分别连接，所述反冲洗出管上通过反冲洗排水电磁阀7与下水管9连接，所述反冲洗排水电磁阀7为三通阀，所述多层滤料柱1、阴离子交换柱2、重金属离子矿化柱3和水质软化柱4的反冲洗出管两个为一组分别通过一个三通的反冲洗排水电磁阀7与下水管9连接。

所述监控系统包括plc、净化水重金属离子浓度监测装置6和反洗水重金属离子浓度监测装置8，所述净化水重金属离子浓度监测装置6安装在净水管上，所述反洗水重金属离子浓度监测装置8安装在下水管9上，所述净化水重金属离子浓度监测装置6和反洗水重金属离子浓度监测装置8与plc电连接，所述进水电磁阀5、反冲洗排水电磁阀7、三通电磁阀13与plc电连接，所述plc内设有通讯模块。

本实用新型提供一种重金属离子矿化净水器的控制方法，用于控制上述重金属离子矿化净水器进行净化，当净水器处于正常净水状态时，进水电磁阀5打开，三通电磁阀13关闭，原水通过进水管依次进入多层滤料柱1、阴离子交换柱2、金属离子矿化柱3和水质软化柱4从净水管出来；当净水管上的净化水重金属离子浓度监测装置6监测到净化水内重金属含量超标时，进水电磁阀5关闭，并通过通讯模块反馈到客户手机app中，待客户作出反应后，三通电磁阀13和反冲洗排水电磁阀7打开，反冲洗剂a和/或b通过多层滤料柱1、阴离子交换柱2、金属离子矿化柱3和水质软化柱4将其内材料洗涤，冲洗后的废水通过直接流入下水管9；当待下水管9处的反洗水重金属离子浓度监测装置8监测到水中离子浓度达到饮用水标准时，将净水器恢复到正常的净水状态。

下面介绍一种上述金属吸附材料的制备方法，该方法是将多孔硅胶球加入到二价铁盐溶液中并调节溶液体系的ph至2.8～3，在搅拌条件下，滴加氧化剂进行反应，反应直至溶液体系无沉淀生成或ph值稳定不变时，停止反应，静置老化后，固液分离，干燥，即得。

本实用新型的多孔硅胶球为商品化试剂，可以直接购买于中国山东东营一鸣新材料有限公司。

上述金属吸附材料的制备方法，关键是在于利用了多孔硅胶球作为载体材料，通过氧化还原法实现非晶体羟基氧化铁在多孔硅胶球表面的原位生成和生长，获得由非晶体羟基氧化铁纳米颗粒负载在多孔硅胶球表面构成金属吸附材料。特别之处是在于，实用新型人意外发现当采用多孔硅胶球作为载体时，多孔硅胶球中的成分能够有效抑制结晶型羟基氧化铁的生成，得到的是不定形的非晶体羟基氧化铁，而非晶体羟基氧化铁相对结晶型羟基氧化铁具有更好的吸附重金属的活性，这是出乎意料的。

作为一个优选的方案，所述二价铁盐溶液为本领域常见的二价铁盐溶解在水中获得，常见的二价铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁中至少一种。

作为一个优选的方案，所述二价铁盐溶液的浓度为12g/l～20g/l。优选为14～16g/l。

作为一个优选的方案，所述搅拌的转速为1000r/min～1500r/min。搅拌速度过慢，难以使硅胶球漂浮起来，导致羟基氧化铁在硅胶上负载不均匀。搅拌速度过快，离心力过大，大多羟基氧化铁来不及在硅胶球上形成，同样导致羟基氧化铁在硅胶上负载不均匀。

作为一个优选的方案，所述氧化剂为本领域常见的可以氧化二价铁的氧化剂，本实用新型选择绿色环保的双氧水作为氧化剂，氧化剂为质量百分比浓度为25～35％的双氧水。

作为一个优选的方案，所述老化的时间为8～16小时。通过控制老化时间可以控制羟基氧化铁生长成适当粒径的颗粒。

作为一个优选的方案，调节溶液体系采用常见的稀酸或稀碱来实现调节，如5％硫酸或5％氢氧化钠。

本实用新型提供的金属吸附材料的制备过程在常温条件下进行。

本实用新型的金属吸附材料的具体制备方法包括以下具体步骤：

步骤一：称取一定量的二价铁盐溶于一定量的去离子水中，通过磁力搅拌(搅拌速率为1000r/min～1500r/min)至二价铁盐完全溶解，得到浓度为10g/l～20g/l二价铁盐溶液；

步骤二：称取一定量的硅胶球放入二价铁盐溶液中继续搅拌(搅拌速率为1000r/min～1500r/min)，测定此时溶液的ph值，将其调节至2.8～3的范围内；

步骤三：均匀滴入强氧化剂持续搅拌(搅拌速率为1000r/min～1500r/min)，待溶液中不再有明显沉淀出现或溶液的ph值几乎保持稳定不变时，停止加入强氧化剂和搅拌；

步骤四：静置老化8～16h，用筛子过滤得到固体产物，并用去离子水多次清洗直到洗涤液的ph值达7～8，在60～70℃的烘箱内烘干6h，冷却，最终得到硅胶球负载非晶体羟基氧化铁的复合材料。

实施例1：

本净水器处理实验室模拟砷污水，水中含砷2mg/l。取5l砷模拟废水通过抽水蠕动泵以100ml/min的抽速通过填满本实用新型复合材料的滤柱(直径为5cm,长10cm)，在过滤量为1、3、5l时，接取5ml滤液作icp检测，结果滤液中的砷含量都小于0.01mg/l。

实施例2：

用本净水器处理实验室模拟砷污水，水中含砷2mg/l。取5份50ml实验室模拟砷污水倒入80ml烧杯中，通过恒温水浴锅将砷污染水的温度依次调至25、35、45、55、65℃，各烧杯中分别加入5g本实用新型复合材料，匀速磁力搅拌5min后取上层液过滤，通过icp检测不同温度环境下砷污染水中剩余的砷含量。砷的去除率几乎不变，被处理后的砷污染水中砷浓度小于0.01mg/l。

以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在利用实用新型书所做的任何修改、等同替换、改进等，或在其他相关技术领域直接或间接应用的，均应包含在本实用新型的保护范围之内。