本发明属于净水领域，具体涉及一种多功能复合陶瓷滤芯及其制备方法。
背景技术：
随着社会的发展，人们环保意识的加强，人们对生活用水的水质要求也越来越高。我国不少地方面临水质性缺水的问题，加之目前自来水厂沿袭的传统给水工艺和供水管网本身存在的问题，导致自来水的水质提高非常困难。研发一款经济实惠、操作简单且安全可靠的净水器可以很好地解决上述问题。。
陶瓷滤芯是净水器的核心部件，是由陶瓷粉体经高温烧结而成的多孔过滤元件，它通过过滤、吸附等物理方法，除去水中的杂质及细菌，把普通自来水变成净化水，且不会产生二次污染，很适合家庭饮用水净化需求。与高分子反渗透膜以及中空纤维过滤膜不同，陶瓷滤芯采用深层过滤原理去除杂质，水的通道直径在0.1～10μm之间分布，小的孔径对于细菌具有绝对的阻止能力，抗菌剂的引入则可以防止细菌在滤芯里的滋生，使通过滤芯的水的质量安全可靠；而大的孔径可以保证滤芯具有小的阻力和大通量，对滤芯的实用性具有重要意义。
生产陶瓷滤芯的主要原料包括氧化铝基和二氧化硅基陶瓷材料，其中硅藻土因其特有的生物纳米尺寸微观结构而产生的高强吸附性能成为主流陶瓷滤芯的首选材料之一。硅藻土由硅藻遗体组成，主要成分为二氧化硅(80～95％)，其余成分主要为氧化铝。硅藻具有大量的天然有序排列的纳米微孔结构，孔径尺寸在80～200nm之间，从而使硅藻土具有优异的过滤和吸附能力。英国的doulton公司是目前全球最大及最知名的陶瓷滤芯生产厂家，它以硅藻土为主要原料，经高温烧结而成多孔过滤元件。为了提高过滤效果，要求硅藻土的含量尽可能高。但是因为硅藻土塑性低，含量过高将严重降低其成型能力，因此在成型过程中需加入黏土以提高塑性和成型能力，但是这是以降低过滤效果为代价实现的。这种净水器既可以安装在家庭用的普通水龙头上，供城市家庭使用，也可以采用重力型净水装置产生纯净水，在没有自来水的地方使用。经过滤可以滤除水中的水垢、大肠杆菌、囊虫等致病细菌。通过装在滤芯中的炭部分去除水中的氯气、残留农药、有害有机物等，达到饮用水标准，不需要经过加热就可以直接饮用。但是由于炭的吸附速度有限，因此当应用到直饮机上的时候，吸附效果并不十分理想。为了解决这个问题，doulton公司下属的hintoninternational公司开发了black
为了防止上述现象发生，目前普遍的做法是降低生坯的烧结温度，如专利申请号为200910112074.3(含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法)提供了一种低温烧结含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，解决了硅藻土在高温烧结过程中产生的纳米微孔熔合问题。然而由于其采用较低的烧结温度(<950℃)，硅藻土和炭颗粒间的结合力较弱，导致生产出的陶瓷滤芯的机械强度较低，使用过程中轻微震动则引起陶瓷滤芯的碎裂，影响其滤水质量和使用寿命。
申请号201210437472.4(一种复合陶瓷滤芯及其制备方法)引入多壁碳纳米管增强相和化学反应烧结机制(金属铝粉氮化)来制备新型低温烧结高强度硅藻土基复合陶瓷滤芯，用以解决现有硅藻土和炭颗粒复合陶瓷材料烧结温度低导致的陶瓷滤芯机械强度低的问题，同时，提高此类陶瓷滤芯的重金属离子去除率，保证其滤水质量和使用寿命。其采用的也是低温烧结工艺(<950℃)，然而其生产工艺复杂，且生产过程中需要氢气，具有危险性，对生产设备要求高。
因此，如何解决现有硅藻土和炭颗粒在高温烧结过程中由于微孔熔合影响过滤质量的问题，同时提高胚体强度成为实际应用的难点。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能复合陶瓷滤芯及其制备方法，克服现有技术含有硅藻土和活性炭的复合陶瓷滤芯由于硅藻土中的天然微孔在高温烧结时熔合进而影响过滤质量的缺陷。本发明通过将有机造孔剂和无机造孔剂配合使用，在高温烧结时可起到孔径重建的作用，有效的控制微孔形成，提高了孔径的过滤精度，同时由于原料在高温烧结时形成莫来石，提高了胚体的强度，进而提高了烧结成品的合格率。本发明对余氯、微生物和重金属具有良好的去除效果，集合了普通硅藻土陶瓷、超滤和活性炭三种滤芯的优点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术手段为：
一种多功能复合陶瓷滤芯，所述陶瓷滤芯的原料按照重量份包括：活性炭10～30份、高岭土45～60份、硅藻泥0～30份、铝矾土10～25份、氧化镁5～10份、钙基膨润土5～10份、粘结剂15～25份、解凝剂0.4～1份、有机造孔剂20～40份、无机造孔剂15～20份、纳米交换剂0.15～0.2份。
优选地，所述活性炭为粉末活性炭或颗粒活性炭中的任意一种；由于粉末活性炭的在水中的接触面积比颗粒活性炭更大，吸附效果更好，能更有效的去除水中的余氯，因此，进一步优选为粉末活性炭。
优选地，所述粘结剂为木质素磺酸钠或聚乙烯醇；进一步优选为木质素磺酸钠；所述粘结剂除起到粘结陶瓷坯体的作用外，还可作为陶瓷坯体增强剂，增强陶瓷胚体的强度。
优选地，所述解凝剂为六偏磷酸钠或水玻璃；进一步优选为六偏磷酸钠；解凝剂对于整个泥浆液起到稀释作用，增加泥浆液的流动性。
优选地，所述有机造孔剂为玉米淀粉、马铃薯淀粉、聚氯乙烯、尿素中的任意一种或几种；进一步优选为玉米淀粉。
优选地，所述无机造孔剂为氯化锌、氯化锂中的任意一种或两种；进一步优选为氯化锂；所述有机造孔剂(如所述玉米淀粉)在高温煅烧时降解挥发形成孔隙，所述无机造孔剂(如所述氯化锂)为可溶性盐，煅烧后用水浸出形成孔隙，通过所述有机造孔剂及所述无机造孔剂的配合使用，更好的发挥造孔剂调整陶瓷孔径的功能。
优选地，所述纳米交换剂为kdf粉末；所述kdf粉末可有效去除水中重金属，如铅、镉等。
一种多功能复合陶瓷滤芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份将原料活性炭10～30份、高岭土45～60份、硅藻泥0～30份、铝矾土10～25份、氧化镁5～10份、钙基膨润土5～10份、粘结剂15～25份、解凝剂0.4～1份、有机造孔剂20～40份、无机造孔剂15～20份、纳米交换剂0.15～0.2份加水混合，用搅拌机搅拌均匀，泥浆液静置陈化24h，然后再注浆成型、脱模、干燥；
(2)在惰性气体保护下升温，进行烧结，冷却，即得多功能复合陶瓷滤芯。
上述技术方案中，注浆工艺要求制备的泥浆具有原料均匀分布、流动性好、稳定性好、触变性小、含水量少、脱模性能好且不含气泡等特点。
优选地，所述步骤(1)中，所述加水量为干重的25～30％。
优选地，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。
优选地，所述步骤(2)中，所述烧结温度为1100～1350℃；更优选为1300℃。
优选地，所述步骤(2)中，所述烧结时升温制度为：室温～400℃，升温速度为100℃/h；400～1100℃，升温速度为200～300℃/h；1100℃～烧结温度，升温速度为100℃/h，升温至烧结温度，保温1h。
本发明基本原理：
由于陶瓷胚体在1300℃进行高温烧结时硅藻土的孔隙会遭到破坏，本发明通过加入有机造孔剂(如玉米淀粉)和无机造孔剂(如氯化锂)，所述有机造孔剂(如所述玉米淀粉)在高温煅烧时降解挥发形成孔隙，所述无机造孔剂(如所述氯化锂)为可溶性盐，煅烧后用水浸出形成孔隙，通过所述有机造孔剂及所述无机造孔剂的配合使用起到孔径重建的作用，更好的发挥造孔剂调整陶瓷孔径的功能，有效的提高孔径的过滤精度；同时，本发明陶瓷胚体在1300℃进行烧结时，铝矾土和硅藻泥会形成莫来石，大大提高陶瓷滤芯成品的强度。另外，通过负载活性炭和纳米交换剂，使得本发明陶瓷滤芯具有去除余氯、微生物及重金属等多种功能。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
(1)本发明采用注浆成型工艺制备了负载活性炭、造孔剂和纳米交换剂的多功能复合陶瓷滤芯，工艺简便、易于操作、成本低、效果良好、便于工业化生产；
(2)本发明陶瓷滤芯具有多种功能，不仅能通过活性炭粉末有效吸附水中的余氯，还能通过无机造孔剂结合有机造孔剂形成的陶瓷孔径有效截留水中的大肠杆菌、金黄色葡萄糖球菌等微生物，同时还能通过纳米交换剂有效去除水中的重金属；
(3)本发明陶瓷滤芯净水效果好，出水水质符合《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)
(4)本发明陶多功能复合陶瓷滤芯集合了普通硅藻土陶瓷、超滤和活性炭三种滤芯的优点。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于对本发明进一步说明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容后，该领域的技术人员对本发明作出一些非本质的改动或调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
按重量份将原料粉末活性炭20份、高岭土50份、硅藻泥20份、铝矾土20份、氧化镁5份、钙基膨润土5份、木质素磺酸钠20份、六偏磷酸钠0.4份、玉米淀粉25份、氯化锂15份、kdf粉末0.2份加水混合(加水量为干重的25～30％)，用搅拌机搅拌均匀，泥浆液静置陈化24h，然后再注浆成型、脱模、干燥。在氮气保护下升温，在1300℃进行烧结。升温制度为：室温～400℃，升温速度为100℃/h；400～1100℃，升温速度为200～300℃/h；1100～1300℃，升温速度为100℃/h，升温至1300℃，保温1h。冷却即得多功能复合陶瓷滤芯。
实施例2
按重量份将原料粉末活性炭10份、高岭土60份、硅藻泥30份、铝矾土25份、氧化镁7份、钙基膨润土5份、木质素磺酸钠15份、水玻璃0.6份、马铃薯淀粉40份、氯化锂15份、kdf粉末0.1份加水混合(加水量为干重的25～30％)，用搅拌机搅拌均匀，泥浆液静置陈化24h，然后再注浆成型、脱模、干燥。在氮气保护下升温，在1200℃进行烧结。升温制度为：室温～400℃，升温速度为100℃/h；400～1100℃，升温速度为200～300℃/h；1100～1200℃，升温速度为100℃/h，升温至1200℃，保温1h。冷却即得多功能复合陶瓷滤芯。
实施例3
按重量份将原料粉末活性炭30份、高岭土60份、硅藻泥30份、铝矾土25份、氧化镁10份、钙基膨润土10份、聚乙烯醇25份、六偏磷酸钠0.6份、玉米淀粉30份、氯化锌15份、kdf粉末0.15份加水混合(加水量为干重的25～30％)，用搅拌机搅拌均匀，泥浆液静置陈化24h，然后再注浆成型、脱模、干燥。在氮气保护下升温，在1100℃进行烧结。升温制度为：室温～400℃，升温速度为100℃/h；400～1100℃，升温速度为200～300℃/h，升温至1100℃，保温1h。冷却即得多功能复合陶瓷滤芯。
效果评价实验：
1.试剂与仪器：
分析纯试剂：硝酸铅、硫酸铜、硝酸、次氯酸钠、余氯指示剂。
国家标准溶液：铅、铜、锰、铁、镍、锌、铝、银、砷、汞、铬、钙等标准溶液1000mg/l。
仪器：tas-990原子分光光度计、yl-1az余氯测试仪、wzs-1000浊度仪、哈希cod测试仪、恒温培养箱、灭菌炉等。
2.本发明多功能复合陶瓷滤芯对于余氯的去除效果：
用化学试剂次氯酸钠加标水中余氯值为2±0.2ppm，过滤加标水额定总量为2000l，分别过滤500l水、1000l水、1500l水、2000l水，四个阶段各自取相同的水量进行检测，实验结果见表1。
表1本发明多功能复合陶瓷滤芯对于水中余氯的去除实验试验
结论：去除余氯的效果和添加的活性炭量成正比，添加的量越大效果越好，但考虑成型胚体的强度，需加入适量的活性炭粉末防止胚体在烧结中变形；采用实施例1～3所述粉末活性炭本发明多功能复合陶瓷滤芯在过滤2000l水后的余氯去除率为88.75～98.45％，而市场上普通陶瓷过滤2000l水后的余氯去除率仅为1％，因此本发明多功能复合型陶瓷滤芯去除余氯的效果明显优于普通陶瓷滤芯。
3.本发明多功能复合陶瓷滤芯对于细菌的截留效果
测试培养的菌种：金黄色葡萄球菌、铜绿假单孢菌、大肠埃希氏菌，实验结果见表2。
表2本发明多功能复合陶瓷滤芯对于细菌的截留效果实验
结论：截留细菌的效果和陶瓷添加剂中的造孔剂种类有关，市场上用的硅藻土本身的成孔特性，不能控制其成孔的特征，由于本发明将有机造孔剂(如玉米淀粉)和无机造孔剂(如氯化锂)配合使用，能有效控制陶瓷过滤精度，同时能确保对于细菌的截留率和流速的控制。
4.本发明多功能复合陶瓷滤芯对于重金属的去除效果
用硝酸铅和硫酸铜试剂配制加标水样，用tas-990原子分光光度计进行重金属的分析，实验结果见表3。
表3本发明多功能复合陶瓷滤芯对于水中重金属去除效果实验
结论：市场上的烧结椰壳炭棒在同等条件下测试去除重金属铅的效果在30％，去除铜的效果为35％，普通陶瓷对于重金属的去除效果几乎没有，本发明通过使用kdf纳米交换剂可有效去除水中的重金属，如铅和铜。
5.本发明多功能复合型陶瓷滤芯过滤水质检测：
原水：宁波市自来水，进水压力：0.25mpa，经过本发明多功能复合陶瓷滤芯过滤后取水样1l进行检测分析，实验结果见表4。
表4本发明多功能复合陶瓷滤芯过滤水质检测效果试验
结论：经过本发明所述多功能复合型陶瓷滤芯的水质符合《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)。
上述说明并非对发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。