净化水滤芯及其制作方法以及饮水机与流程

本发明涉及水处理邻域，更具体地，涉及一种净化水滤芯及其制作方法以及饮水机。

背景技术：

工业和农业现代化的进程中，金属冶炼、矿山开采、建材生产、垃圾焚烧、火力发电、农业增产和食品工业等行业发展的同时，也带来空气、土壤、河流以及地下水的全面污染。无论是空气还是土壤，通过雨水和渗漏，污染物最终会大部分集中在河水、湖水和地下水中。因此，治理水源污染，特别是保证饮用水的净化，成为我国和世界范围内发展中国家的一项重要研究工作。饮用水源的污染最主要包括有害重金属离子和有毒的永久性有机污染物，对应地，水源净化就需要去除前述水源中的两类有害物质，即重金属和有机污染物。

净化水滤芯是水质净化用的核心部件，根据功能进行分类有去除水中固体和胶体颗粒物的聚丙烯熔喷(PP)滤芯，去除有机污染物的活性炭滤芯，去除有机高分子和病毒的超滤(UF)滤芯，去除二价金属离子的纳滤(NF)滤芯和去除有机污染物和所有金属离子的反渗透(RO)滤芯。超滤滤芯、纳滤滤芯以及反渗透滤芯使用中需要增加源水压力，同时纳滤滤芯和反渗透滤芯在去除有害物质的同时，也去除了水中对人体有益的铁、钙、钠和钾离子，并产生更多的废水。因此，开发去除源水中有害物质，保留更多有益成分，获得更多净化水而节省源水和能源消耗的净化水滤芯成为净化水工程技术人员研究工作的目标。

在工业上以及实验室中，常规用水的净化可以首先通过活性炭去除有毒有机污染物，然后再用离子交换树脂颗粒去除所有金属离子，但是，这种方法不仅使用更多的材料，而且需要占用较多的空间。颗粒状的离子交换树脂不具有净化水滤芯小巧便捷、方便更换的使用的优点，现有的净化水滤芯又不能在去除有害物质的同时保留有益的铁、钙、钠和钾等离子。

因此，期望对净化水滤芯的制作方法进行进一步改进。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种净化水滤芯及其制作方法以及一种饮水机，该制作方法制得的净化水滤芯能选择性去除水中的有害金属离子，包括该净化水滤芯的饮水机的净化水效果更安全。

根据本发明的一方面，提供一种净化水滤芯的制作方法，包括：混合，将多种滤芯材料混合均匀；烧结，将所述混合步骤得到的混合物烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙，其中，所述多种滤芯材料包括：大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、粘结剂以及发孔剂。

优选地，所述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂的交联度大于6％。

优选地，所述粘结剂为超高分子量聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯中的至少一种。

优选地，所述发孔剂为碳酸氢铵、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺中的至少一种。

优选地，所述多种滤芯材料还包括：活性炭。

优选地，所述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、所述粘结剂、所述活性炭、所述发孔剂的重量比例为100～200∶150～300∶0～180∶20～100。

优选地，所述烧结步骤包括：将所述混合步骤得到的混合物装入模具，振荡密实后密封所述模具；将所述模具置于恒温箱中保持预定温度持续预定时间，使得所述混合物烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙；将所述模具从所述恒温箱中取出并冷却，从所述模具中取出所述块材状的滤芯。

根据本发明的另一方面，提供一种净化水滤芯，所述净化水滤芯根据上述任一项所述的制作方法制得。

优选地，所述净化水滤芯为管状。

根据本发明的再一方面，提供一种饮水机，包括上述任一项所述的净化水滤芯。

根据本发明提供的净化水滤芯、该净化水滤芯的制作方法以及包括该净化水滤芯的饮水机，通过在滤芯材料中引入大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子，甚至可以吸附有毒有机物质例如苯酚。在大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂内添加粘结剂以及发空剂，烧结为块材状的滤芯，在发孔剂作用下所述块材状的滤芯内部包括孔隙，使得源水经过滤芯时一方面经过带孔的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂进行过滤，另一方面经过发孔剂在滤芯内部形成孔隙进行过滤，通过发孔剂可以调节孔隙的大小，使得滤芯获得吸附有害金属离子能力的同时整体一致性也更好。

在优选的实施例中，所述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂的交联度大于6％，采用高交联度的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂其耐高温性能更好，在烧结过程中更稳定，从而得到更完整均匀的净化水滤芯。此外，发孔剂在烧结过程中挥发，使得滤芯材料周围气体压力高于模具外空气的压力，从而在滤芯烧结的高温环境下，滤芯材料不易受到空气中氧的破坏。

根据本发明提供的净化水滤芯及饮水机，经测试能够净化超过4000L(约4吨)以上的待净化源水，使用寿命更长，能够满足国家标准。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本发明第一实施例的净化水滤芯的制作方法的流程图。

图2示出根据本发明第二实施例的净化水滤芯的制作方法的流程图。

图3示出根据本发明实施例的净化水滤芯的结构图。

具体实施方式

本发明提供一种净化水滤芯的制作方法，该净化水滤芯的制作方法包括混合步骤和烧结步骤。其中，混合步骤将多种滤芯材料混合均匀。烧结步骤将前述混合步骤得到的混合物烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙，从而得到预定形状的净化水滤芯。在上述混合步骤中，所述多种滤芯材料至少包括：大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、粘结剂以及发孔剂。依据上述方法得到的净化水滤芯，通过在滤芯材料中引入大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子，甚至可以吸附有毒有机物质例如苯酚。在大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂内添加粘结剂以及发空剂，烧结为块材状的滤芯，在发孔剂作用下所述块材状的滤芯内部包括孔隙，使得源水经过滤芯时一方面经过带孔的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂进行过滤，另一方面经过发孔剂在滤芯内部形成孔隙进行过滤，通过发孔剂可以调节孔隙的大小，使得滤芯获得吸附有害金属离子能力的同时整体一致性也更好。

下面结合附图1至图2具体说明本发明的净化水滤芯的制作方法的实施例，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如物质的质量、体积、物质的量、处理工艺和技术、器材的选用等，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图1示出根据本发明第一实施例的净化水滤芯的制作方法的流程图，该净化水滤芯的制作方法包括步骤S101至S104。其中步骤S101为混合步骤，步骤S102至S104完成烧结步骤。

在步骤S101中，将大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、粘结剂以及发孔剂混合均匀。

大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂优选为高交联度的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，优选交联度大于6％的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使其耐高温性能更好，在烧结过程中更稳定。大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂可以是聚苯乙烯或以聚苯乙烯/二乙烯基苯交联为基质，然后在该基质上改性修饰，增加官能团羟基(OH)、巯基(SH)、胺基(NH2)、磺酸基(SO3H)、羰基(R-CO-R)、羧酸基(COOH)以及氮杂环等，根据不同需要和制作工艺，获得的不同型号或规格的大孔离子交换树脂或大孔螯合树脂，通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂以及大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子，甚至可以吸附有毒有机物质例如苯酚。上述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂在吸附金属离子的比例上，对铅(Pb)、镉(Cd)、钯(Pd)、铷(Rb)、铑(Rh)、铱(Ir)、汞(Hg)、金(Au)、银(Ag)、钴(Co)的吸附比对铁(Fe)、铜(Cu)、钙(Ca)、镁(Mg)的吸附更多，而对钾(K)和钠(Na)基本没有吸附。因此，通过在滤芯材料中引入大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子而保留部分有益离子，提高饮水安全性的同时保留对人体健康的离子。

粘结剂为超高分子量聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯中的至少一种。

发孔剂为碳酸氢铵、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺中的至少一种。发孔剂能在烧结过程中挥发，使得滤芯材料周围气体压力高于模具外空气的压力，从而在滤芯烧结的高温环境下，滤芯材料不易受到空气中氧的破坏。

具体地，所述将大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、粘结剂以及发孔剂混合均匀的步骤可以包括：1)将大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂置于搅拌装置中；2)称取粘结剂以及发孔剂，将粘结剂以及发孔剂置于搅拌装置中；3)搅拌，直至得到均匀的混合物。

在本实施例中，首先称取合适粒度的大孔螯合树脂置于搅拌容器中，例如称取粒度为200目的大孔螯合树脂150g，搅拌容器例如是搅拌盆。接着称取超高分子量聚乙烯250g，该超高分子量聚乙烯的粒度例如是100目，再称取纯度大于99.99％的食品级碳酸氢铵50g，其粒度例如是100目。然后将上述超高分子量聚乙烯以及食品级碳酸氢铵置于上述搅拌盆中混合至均匀。至此完成所述混合步骤。

需要说明的是，在上述混合步骤中，不会显著改变材料粒径和粒度分布的低剪切混合或搅拌装置在本发明中都是可以接受的，比如具有钝叶轮叶片的搅拌器、滚筒类混合器和螺旋式搅拌装置等，转速以不显著破坏材料初始性能为宜。

在步骤S102中，将上述混合步骤得到的混合物装入模具，振荡密实后密封所述模具。

模具可以是家庭净水机用净化水滤芯模具，也可以是大型自来水源净化、城市环境污水处理、工业废水处理、军事基地和训练用野外生活净化水用的滤芯模具等。滤芯模具可以由铸铁、钢、铝或其他适当的可以承受压力和温度的材料制造。进一步地，可以在滤芯模具内表面涂抹或喷洒脱模剂，脱模剂可以选择硅氧烷油脱模剂或任何其他几乎不会吸附到原材料、滤芯上的市售脱模剂，也可以使用脱模纸。

本实施例中，模具为管状磨具，将上述混合步骤得到的混合物装入模具，合理振荡密实，之后密封该模具。

在步骤S103中，将所述模具置于恒温箱中保持预定温度持续预定时间，使得所述混合物烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙。

上述预定时间以及预定温度可以依据混合物的中原材料的物性、模具的选型确定。其中，烧结用的预定温度优选200至240℃。

本实施例的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂交联度较高，耐高温性能更好，在烧结过程中更稳定，从而能得到更完整均匀的净化水滤芯。

本实施例中，将所述模具置于恒温箱中保持210℃持续180分钟间，使得所述混合物烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙。

在步骤S104中，将所述模具从所述恒温箱中取出并冷却，从所述模具中取出所述块材状的滤芯。

本实施例中，将模具从恒温箱中取出，自然冷却至50℃以下，将烧结成形的净化水滤芯从模具中取出，得到的净化水滤芯为管状。至此完成本发明第一实施例净化水滤芯的制作。

根据本发明提供的净化水滤芯的制作方法，通过在滤芯材料中引入大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子，甚至可以吸附有毒有机物质例如苯酚。在大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂内添加粘结剂以及发空剂，烧结为块材状的滤芯，在发孔剂作用下所述块材状的滤芯内部包括孔隙，使得源水经过滤芯时一方面经过带孔的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂进行过滤，另一方面经过发孔剂在滤芯内部形成孔隙进行过滤，通过发孔剂可以调节孔隙的大小，使得滤芯获得吸附有害金属离子能力的同时整体一致性也更好。所述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂为高交联度的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，从而耐高温性能更好，在烧结过程中更稳定，从而得到更完整均匀的净化水滤芯。此外，发孔剂在烧结过程中挥发，使得滤芯材料周围气体压力高于模具外空气的压力，从而在滤芯烧结的高温环境下，滤芯材料不易受到空气中氧的破坏。

图2示出根据本发明第二实施例的净化水滤芯的制作方法的流程图，该净化水滤芯的制作方法包括步骤S201至S204。其中步骤S201为混合步骤，步骤S202至S204完成烧结步骤。

与第一实施例不同的是，在混合步骤中，所述多种滤芯材料还包括活性炭。

在步骤S201中，将大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、活性炭、粘结剂以及发孔剂混合均匀。具体地，该混合步骤可以包括：1)将大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂置于搅拌装置中；2)称取活性炭、粘结剂以及发孔剂，将活性炭、粘结剂以及发孔剂置于搅拌装置中；3)搅拌，直至得到均匀的混合物。

优选地，所述大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、所述粘结剂、所述活性炭、所述发孔剂的重量比例为100～200∶150～300∶0～180∶20～100。

在本实施例中，首先称取合适粒度的大孔螯合树脂置于搅拌容器中，例如称取粒度为200目的大孔螯合树脂100g，搅拌容器例如是搅拌盆。接着称取活性炭100g，该活性炭的粒度可以是80至100目，之后称取超高分子量聚乙烯200g，该超高分子量聚乙烯的粒度例如是100目，再称取纯度大于99.99％的食品级碳酸氢铵50g，其粒度例如是100目。然后将上述活性炭、超高分子量聚乙烯以及食品级碳酸氢铵置于上述搅拌盆中混合至均匀。至此完成所述混合步骤。

接着进行所述烧结步骤，其中烧结步骤包括的步骤S202至S204同第一实施例中的步骤S102至S104，最终得到的净化水滤芯为管状，在此不再详述。

根据本实施例的制作方法，滤芯材料包括大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂、活性炭、粘结剂以及发孔剂，活性炭可以去除水中的有毒有机污染物。大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂可以选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子，甚至可以吸附有毒有机物质例如苯酚。发孔剂在烧结过程中挥发，使得滤芯材料周围气体压力高于模具外空气的压力，从而在滤芯烧结的高温环境下，滤芯材料不易受到空气中氧的破坏。

本发明第一实施例以及第二实施例提供的制作方法制得的管状的净化水滤芯，可以直接在滤芯两端分别粘接端盖，然后在端盖两端放置合适的密封垫圈，置于不锈钢或塑料壳体内，用于饮用水净化处理。当然，根据实际使用情况，也可以在本发明技术制作的滤芯内外分别包多层无纺布，例如是1层～2层，外层再包裹聚丙烯多孔网后，两端分别粘接端盖，置于对应的不锈钢或塑料壳体内，用于饮用水净化或相应需要的源水处理，或者在本发明技术制作的滤芯内外分别包多层无纺布，直接装在对应的有孔滤桶内后再在两端粘接端盖，然后把有端盖的滤芯置于对应的不锈钢或塑料壳体内，用于饮用水净化或相应需要的源水处理。

在本发明第二实施例中，可将管状的净化水滤芯两端分别粘接端盖，然后在端盖两端放置合适的密封垫圈，置于不锈钢或塑料壳体内，用于饮用水净化处理。该水净化处理系统对自来水浊度、有机污染物以及有害重金属铅和镉的净化测试结果如下表所示：

根据上表的测试结果，说明本发明第二实施例提供的净化水滤芯对自来水中的浊度、有机污染物和有害重金属的去除率均有明显的效果。同时，根据上表测试结果，本发明提供的净化水滤芯能够净化超过4000L(约4吨)以上的待净化源水，使用寿命更长，能够满足国家标准。

以下取本发明第一实施例以及第二实施例提供的制作方法制得的管状的净化水滤芯进行测试，将管状的净化水滤芯两端分别粘接端盖，然后在端盖两端放置合适的密封垫圈，置于不锈钢或塑料壳体内，用于饮用水净化处理。第一实施例制得的净化水滤芯与第二实施例制得的净化水滤芯在净化水浊度以及净化水流量两项上的测试结果如下表所示：

根据上表的测试结果，说明滤芯材料中是否加入活性炭，使得制得的净化水滤芯对自来水中浊度去除的效果差异不大，并且净化水的流量也相当。

此外，根据本发明制得的净化水滤芯，在外观均匀性检验、耐水压检验等项目方面，也能满足实际要求。其中在制作净化水滤芯过程中，滤芯材料中是否加入活性炭以及加入活性炭的量的多少可根据待净化的源水中有毒有机污染物含量确定。如果源水中存在的有毒有机污染物且已达到有害标准时，可在滤芯材料中加入适量活性炭，活性炭占滤芯材料的重量比例根据源水中有毒有机污染物的量适当称取。

本发明还提供一种净化水滤芯，该净化水滤芯可以是根据上述任一实施例的制作方法制得。图3示出根据本发明实施例的净化水滤芯的结构图。该净化水滤芯301为管状。优选地，该净化水滤芯301的外径为60毫米，内径为30毫米，长度为260毫米。本实施例中，净化水滤芯301两端分别粘接端盖302，并且端盖302的两端放置有匹配的密封垫圈303，图3中为显示清楚将部分结构适当分离绘制，将上述净化水滤芯301连同端盖302以及密封垫圈303置于不锈钢或塑料壳体内，构成的滤芯组件可用于饮用水净化处理。当然，根据实际使用情况，也可以在净化水滤芯301内外分别包多层无纺布，例如是1层～2层，外层再包裹聚丙烯多孔网后，两端分别粘接端盖，置于对应的不锈钢或塑料壳体内，也可以构成用于饮用水净化或相应需要的源水处理的滤芯组件。或者，在净化水滤芯301内外分别包多层无纺布，直接装在对应的有孔滤桶内后再在两端粘接端盖，然后把有端盖的净化水滤芯301置于对应的不锈钢或塑料壳体内，以构成用于饮用水净化或相应需要的源水处理的滤芯组件。

根据本发明的净化水滤芯，其滤芯材料中包括大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子。采用高交联度的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂使其耐高温性能更好，最终得到的净化水滤芯使用更稳定。

在本发明中，净化水滤芯以管状为例进行说明，可以理解的是，根据制作过程中模具选型的不同，对应得到的净化水滤芯形状也不同，净化水滤芯可以是家庭净水机用滤芯，也可以是大型自来水源净化、城市环境污水处理、工业废水处理、军事基地和训练用野外生活净化水用的滤芯等。

另外，本发明还提供一种饮水机，其净化水滤芯中包括大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，使得滤芯能选择性吸附水中的有害金属离子，提高饮水的安全性，同时多种滤芯材料烧结为块材状的滤芯，所述块材状的滤芯内部包括孔隙，源水经过滤芯时一方面经过带孔的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂进行过滤，另一方面经过发孔剂在滤芯内部形成孔隙进行过滤，通过发孔剂可以调节孔隙的大小，使得滤芯获得吸附有害金属离子能力的同时整体一致性也更好。通过选用不同种类改性修饰的大孔离子交换树脂和/或大孔螯合树脂，滤芯可以吸附不同的金属离子。

应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。