用于去除放射性物质的家庭用水滤器元件的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年10月10日提交的美国临时专利申请系列号61/961，289的优 先权，该优先权案的全部公开内容以引用方式并入本申请。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于消毒、清洁和净化水的滤器元件。本发明特别关注饮用水的 处理领域。
【背景技术】
[0004] 清洁的饮用水是人类的基本需求。然而，全球超过10亿人缺乏安全的饮用水。此 夕卜，发生在2011年3月11日的东日本大地震造成了东京电力公司（TEPCO)福岛第一核电 站发生爆炸，导致大量放射性核元素释放到环境中（供水局（WSD)，健康服务局（HSB)，卫 生、劳动和福利部（MHLW)，2011年）。爆炸发生后，放射性碘（131I)和铯（134Cs和137Cs)在 饮用水中被检测到。因此，这给饮用水的安全性带来了极大的关注。市场上滤水壶的常规 水滤器元件通常由活性炭和离子交换树脂组成，其只能去除水中的重金属和挥发性有机物 (VOC)。由于2013年3月11日东日本大地震发生后水被放射性物质污染的高风险性，几个 研宄小组开始研宄使用常规水滤器元件以去除污染水中的放射性物质。
【发明内容】
[0005] 本发明涉及一种用于消毒、清洁和净化家用水的滤器元件，其不仅可以有效去除 水中的放射性物质，还可以去除重金属、VOC和细菌。本发明要求保护的滤器元件包含生物 聚合物颗粒、过渡金属氢氧化物或氧化物的颗粒，和一些常规的过滤组件如活性炭和离子 交换树脂。纳入的生物聚合物颗粒为多糖，包括但不限于纤维素、淀粉、角叉菜胶、壳聚糖、 甲壳质和藻酸盐、或其混合物，由于其正表面电荷或负表面电荷，所述生物聚合物颗粒使所 要求保护的滤器元件具有抗菌性能和凝聚性能。此处所述凝聚是指吸引具有相反电荷物质 的能力。这些生物聚合物广泛存在、经济、且无毒，使它们成为水滤器元件的合适候选物。过 渡金属氢氧化物或氧化物物质由于其成本低、天然广泛存在和环保的特性已经被广泛应用 于环境监测、修复和污染预防。这些纳米级的过渡金属氢氧化物或氧化物材料的特殊性质 源于其价态丰富、表面积大和电子结构可变。举一个例子，氧化铁纳米材料已显示了可以从 废水中成功去除有毒重金属离子和有机污染物。因此，具有极高重金属和VOC吸附能力的 过渡金属氧化物纳米颗粒也被包括入本发明的滤器元件中，用于提高其水净化的性能。
[0006] 因此，本发明的第一个方面提供了一种过滤器介质，其包含所述的生物聚合物、过 渡金属氢氧化物或氧化物、活性炭和离子交换树脂。离子交换树脂包括阳离子型和阴离子 型离子交换树脂。离子交换树脂包括强酸性树脂（如，聚苯乙烯磺酸钠或POlyAMPS)，弱酸 性树脂（具有羧酸基团的聚丙烯酸聚合物），强碱性树脂（如，聚（丙烯酰胺基-N-丙基三 甲基氯化铵）），弱碱性树脂（如，聚乙烯胺），或这些树脂的混合物。生物聚合物是颗粒形 式并包括一种或多于一种通过交联具有水不溶性的生物聚合物。生物聚合物颗粒的尺寸范 围为从Iym到100ym。交联的生物聚合物的例子包括壳聚糖和藻酸盐。此处用到的交联 生物聚合物的交联剂的一个例子是钙化合物。过渡金属氢氧化物或氧化物包括羟基氧化铁 (hydroxyironoxide,a-FeOOH)、氧化铁和氧化铜。过渡金属氢氧化物或氧化物也是颗粒 形式，其被从IOnm到10ym纳米化并具有如片状、球体和花状的三维分层结构。这些过渡金 属氢氧化物或氧化物颗粒可以通过原位处理被纳入生物聚合物颗粒，形成生物聚合物-金 属氧化物颗粒，和/或作为单独的颗粒被直接加入滤器元件。生物聚合物_金属氧化物颗 粒的一个优选的实施方式是壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐（CHA)颗粒。在一个实施方式 中，本发明要求保护的滤器元件中活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型的离子交换 树脂：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸钠（CHA)颗粒的重量比是0-30 :35-45 :15-20 :15-20。在 另一个实施方式中，活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型离子交换树脂：壳聚糖/羟 基氧化铁/藻酸盐（CHA)颗粒的重量比是25:41:17:17。除了过渡金属氢氧化物或氧化物， 滤器元件还可以包含例如银、锌和铜等金属作为抗菌剂。
[0007] 本发明的第二个方面涉及一种本文所述滤器元件的制备方法。在一个典型的实施 方式中，该方法包含以下步骤：
[0008] (a)制备轻基氧化铁纳米颗粒；
[0009] (b)将从（a)得到的所述羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖和藻酸盐的第一混合物 中，然后搅拌直至形成大量的壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐（CHA)颗粒；
[0010] (C)将从（b)得到的所述CHA颗粒与活性炭、离子交换树脂混合，形成第二混合 物；
[0011] (d)将从（C)得到的所述第二混合物添加至一个过滤器外壳中以形成滤器元件；
[0012] (e)用去离子水冲洗所述滤器元件直至滤液变澄清。
[0013] 在一个实施方式中，待纳入壳聚糖/藻酸盐混合物中形成CHA颗粒的羟基氧化铁 纳米颗粒的制备是通过将硫酸亚铁（II) (FeSO4^H2O)溶解到体积比为7:1的水和甘油的混 合物中，搅拌该混合物至少10分钟，随后将该混合物转移至高压灭菌锅中加热至约120°C， 保持24小时，收集加热过夜后形成的沉淀，以水和甘油的另一混合物洗涤所述沉淀，60°C 干燥该洗涤的沉淀；经过所述干燥后形成羟基氧化铁纳米颗粒。
[0014] 在另一个实施方式中，将羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖/藻酸盐的混合物中以 形成CHA颗粒的过程包括：在2wt. %的壳聚糖和0. 5wt. %的藻酸钠的第一混合物中混合所 述羟基氧化铁纳米颗粒，随后在搅拌条件下，将所述混合物逐滴地加入至〇. 5wt. %的氯化 钙中，直至形成CHA颗粒。
【附图说明】
[0015] 图1显示了羟基氧化铁（a-FeOOH)颗粒的花状或花状夹子的3D结构扫描电镜 (SEM)图像。
[0016] 图2是描绘羟基氧化铁（a-FeOOH)颗粒制作过程的流程图。
[0017] 图3