一种用于去除水中重金属的过滤芯及其使用方法与流程

本发明属于磁性材料技术领域与污水重金属处理技术领域，具体涉及一种用于去除水中重金属的过滤芯及其使用方法。

背景技术：

各种工业活动造成不少重金属(如铅、汞、镉、钴等)进入水中，这些重金属有毒性作用，可以在食物链中累积，导致严重的生态和健康危害。

为了去除水中的重金属，人们开发了各种方法，包括化学、物理、生物吸附等方法。其中，过滤、吸附是常用的方法，但是存在如下问题：

(1)过滤方法中，使用具有多孔结构的过滤芯进行过滤，但是目前的过滤芯材质大多采用尼龙、不锈钢网等，在恶劣的环境下工作，易腐蚀。

(2)吸附方法中，磁性纳米颗粒因其具有比表面积大、与水分离方便、易与不同化学基团功能化等优点，因此是吸附重金属的一种有效吸附剂，该吸附剂需要与磁性材料、磁场配合使用，在磁场作用下使该磁性材料吸附磁性纳米颗粒，从而吸附去除重金属。其中，对磁性纳米颗粒的吸附效率与磁性材料以及磁场强度有关。但是，目前该方法存在如下问题：

(a)目前，使用棒状的磁性材料，在磁场作用下该结构的磁性材料对磁性纳米颗粒的吸附效率有限；

(b)污水处理包括静态污水处理与动态污水处理，当污水处理量大时，需要提高磁场；但是，目前静态污水处理时磁场提高幅度有限，因此只能在小体积下工作，污水处理量小，实际大规模动态污水处理通常使用带有磁感导线的高梯度磁选机，增加了成本。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明将过滤与吸附相结合，提供一种用于去除水中重金属的过滤芯，可高效、经济、无二次污染地去除水中重金属。

本发明的技术方案为：一种用于去除水中重金属的过滤芯，其特征是：

所述过滤芯呈两端开口的空心结构，一端开口称为进口端，另一端开口称为出口端；

所述过滤芯设置若干孔；每个孔自空心结构内侧穿透至外侧，并且孔径自空心结构的内侧至外侧逐渐减小；

所述过滤芯材质是软磁材料。

作为优选，自进口端至出口端方向，所述空心结构的内径逐渐减小。

作为一种实现方式，所述过滤芯整体呈空心台体结构，其横截面结构不限，包括圆形、椭圆形、三角形、矩形以及其他正多边形等。

作为优选，所述孔的孔径在100um-100mm之间。

作为优选，所述过滤芯材质是软磁铁氧体。

本发明的过滤芯的制备方法不限。作为一种实现方式，采用3d打印方法制备，具体为：将软磁材料颗粒分散在包含溶剂、粘合剂、分散剂等的预混液中形成浆料；使用该浆料通过3d打印方法得到过滤芯坯体，然后干燥、烧结，得到所述过滤芯。

利用本发明的过滤芯去除水中重金属的方法如下：

(1)在水中加入磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒吸附水中的重金属离子；

(2)将过滤芯置于磁场中，软磁材质的过滤芯在磁场作用下能够吸附磁性纳米颗粒；封闭过滤芯出口端，将步骤(1)处理后的水自过滤芯的进口端注入其空心结构中，磁性纳米颗粒被过滤芯吸附，从而重金属离子被吸附，水从孔中流出。

当水中重金属被过滤吸附之后，为了去除吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，将不添加磁性纳米颗粒的清水构成的冲洗液自过滤芯外侧通过孔进入内侧，从而冲洗吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，然后从出口端流出，称为反冲洗过滤芯。为了进一步深度清洗过滤芯，作为优选，首先去除磁场，然后反冲洗过滤芯。作为进一步优选，冲洗液中加入酸性物质，使冲洗液呈酸性。冲洗时在开口结构中加入酸性物质，重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，从而能够将磁性纳米颗粒回收再利用。

或者，首先封闭过滤芯出口端，反冲洗过滤芯，然后打开过滤芯出口端。作为优选，首先封闭过滤芯出口端，在过滤芯中加入酸性物质，反冲洗过滤芯，在酸性物质作用下重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，最后打开过滤芯出口端，将磁性纳米颗粒回收再利用。

作为优选，所述磁性纳米颗粒不限，包括复合磁性纳米颗粒，以及经paa、pei包覆的磁性纳米颗粒等。

作为优选，所述磁场为可拆卸式，便于安装与去除。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明在去除水中重金属时，将过滤与吸附相结合，采用空心多孔结构的过滤芯，并且过滤芯采用软磁材质，当包含磁性纳米颗粒的水自进口端注入空心结构中，在磁场作用下过滤芯能够吸附磁性纳米颗粒，水自孔结构排出，从而实现了去除水中重金属的目的；空心多孔结构的过滤芯比表面积大，因此大大提高了吸附率。

(2)设计孔直径自过滤芯内侧至外侧逐渐减小，使包含磁性纳米颗粒的水从较大直径流入，较小直径流出，磁性纳米颗粒逐渐被吸附在孔壁上，有效避免了磁性纳米颗粒堆积在孔结构入口，造成孔结构堵塞而无法过滤的问题，实现了磁性纳米颗粒的高效过滤。

(3)设计过滤芯自进水口端至出口端方向的内径逐渐减小，有助于包含磁性纳米颗粒的水冲刷过滤芯，从而进一步提高过滤效果。

(4)本发明优选软磁铁氧体制备过滤芯，不仅耐腐蚀，而且软磁铁氧体滤芯对外加磁场起加强作用，因此降低了对外加磁场强度的要求。

(5)本发明去除水中重金属时采用进口端注入，自孔流出的方法，可以将过滤芯置于容器中，吸附过滤之后净水收纳在容器与过滤芯之间，方便收集处理；冲洗过滤芯是采用自孔进入过滤芯的反冲洗方法，冲洗后的污水自出口端排出，方便收集处理。

(6)本发明的过滤芯结构简单，制作方便，具有过滤效果高，经济实用，无二次污染的优点，经本发明的过滤芯过滤一次后，水中的重金属浓度可从1.0mg/l显著降低到低于who推荐的饮用水标准，在工业污水处理中具有良好的市场前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中过滤芯的结构示意图。

图2是图1中孔的结构示意图。

图1-2中的附图标记为：过滤芯1、进口端2、出口端3、孔4、孔的一端开口5、孔的另一端开口6。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

如图1所示，用于去除水中重金属的过滤芯1呈两端开口的空心圆台结构，一端开口称为进口端2，另一端开口称为出口端3。

自进口端2至出口端3方向，空心结构的内径逐渐减小。本实施例中，空心圆台结构中，进口端2的内径为100mm，外径为104mm，出口端3的内径为60mm，外径为64mm，进口端2与出口端3之间的高为50mm。

过滤芯1设置若干孔4，每个孔自空心结构的内侧穿透至外侧，并且每个孔的孔径自空心结构的内侧至外侧逐渐减小。例如，图1中的孔4的一端开口5位于空心结构的内侧，另一端开口6位于空心结构的内侧，孔4整体呈圆台状，开口5的内径为10mm，开口6的内径为2mm。

本实施例中，过滤芯材质是镍锌铁氧体软磁材料。过滤芯的制备方法如下：

(1)将平均粒径约2um的镍锌铁氧体粉均匀分散到含有粘合剂pva、增塑剂peg、以及少量分散剂eco-2100的预混液中配制成稳定的浆料；

(2)利用步骤(1)的浆料进行3d打印，得到如图1所示的过滤芯坯体，干燥后进行1300℃的高温烧结处理，得到高致密度的镍锌铁氧体过滤芯。

利用本实施例中的去除过滤水中重金属的方法如下：

将上述制备的过滤芯外加一个低至0.07t的可拆卸磁场。封闭过滤芯出口端3。在含pb²⁺浓度为1mg/l的废水中加入paa包覆的fe3o4纳米粒子25mg。将此废水从过滤芯的进口端2注入空心结构，水流自过滤芯的孔流出，磁性纳米颗粒被过滤芯吸附，从而重金属离子被过滤芯吸附，得到去除重金属离子的水。

经检测，自过滤芯流出的水中pb²⁺浓度为0.009mg/l。测试标准为gb/t32992-2016。

使用后为了去除吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，用不添加磁性纳米颗粒的清水构成冲洗液反冲洗过滤芯，即水流自过滤芯外侧通过孔进入内侧冲刷吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，然后从出口端流出。为了进一步深度清洗过滤芯，首先拆除磁场，然后用清水反冲洗过滤芯，优选在冲洗液中加入酸性物质，使冲洗液呈酸性，冲洗时重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，从而能够将磁性纳米颗粒回收再利用。

实施例2：

本实施例中，用于去除水中重金属的过滤芯的结构与实施例1基本相同。

本实施例中，过滤芯的制备方法如下：

(1)将平均粒径约2um的镍锌铁氧体粉均匀分散到光敏树脂pegda、溶剂eg、光引发剂tpo等预混液中配制成稳定的浆料。

(2)利用步骤(1)的浆料进行3d打印，得到如图1所示的过滤芯坯体，干燥后进行1300℃的高温烧结处理，得到高致密度的镍锌铁氧体过滤芯。

利用本实施例中的过滤芯去除水中重金属的方法如下：

将上述制备的过滤芯外加一个低至0.07t的可拆卸磁场。封闭过滤芯出口端3。在含pb²⁺浓度为1mg/l的废水中加入sep-fe3o4-mno2复合纳米粒子25mg。将此废水从过滤芯的进口端3注入过滤芯，水流自过滤芯的孔流出，磁性纳米颗粒被过滤芯吸附，从而重金属离子被过滤芯吸附，得到去除重金属离子的水。

经检测，自过滤芯流出的水中pb²⁺浓度为0.007mg/l。测试标准为gb/t32992-2016。

使用后为了去除吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒。首先封闭过滤芯出口端，用不添加磁性纳米颗粒的清水构成冲洗液反冲洗过滤芯，即水流自过滤芯外侧通过孔进入内侧冲刷吸附在过滤芯上的磁性纳米颗粒，然后打开出口端，污水流出。优选在过滤芯中加入酸性物质，反冲洗过滤芯，在酸性物质作用下重金属离子与磁性纳米颗粒能够分离，最后打开出口端，将磁性纳米颗粒回收再利用。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。