专利名称：用于去除水中镍的过滤介质及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种去除水中镍的过滤介质及其制备方法、使用该过滤介质 的滤芯、净水装置和饮水机。
背景技术：
工业和农业的迅速发展导致水资源遭到严重破坏，工业废水排放到江河、 湖泊中，农药、杀虫剂等大量使用以及生活垃圾和生活废水的肆意排放，这 些都造成地下水和地表水的水质变差，导致水中产生^^艮多对人体有害的物质。 水污染越来越成为影响人们生活的严峻问题。
镍是一种具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光，并且抗腐蚀。在化
学周期表中，镍是第28号元素，在铁元素和钴元素的后边。镍是典型的金属。 纯镍的颜色是银白色，特别是新制得的镍和磨光的镍金属表面还具有强金属 光泽。镍可以锻造和拉丝。空气中的水蒸气和氧气能够使镍失去光泽而变得 暗淡。稀硫酸和盐酸能够緩慢的溶解镍。稀硝酸比其他酸和镍的作用快。碱 与镍不发生反应。镍的大多数化合物是二价的，例如NiCl" NiS04等。镍与 氧反应能够生成一种对冶金很重要的化合物Ni02,和硫生成Ni3S2，和CO生 成Ni(C0)4。
在水中的镍主要以离子形式存在。镍是人体必需的微量元素，在人体内 参与细胞激素及色素的代谢、生血、激活酶和形成辅酶等。镍缺乏时，人体 容易出现肝硬化、肾衰、尿毒、肝脂质和磷脂质代谢异常等疾病。镍过量时， 可以使人产生鼻咽癌、过敏性皮炎、白血病、肝癌和骨癌等绝症。镍是一种 环境激素，具有强烈的致癌、致畸、致突变作用和环境持久性，在复杂的生 态环境中可以不断地迁移、转化、积累，严重威胁着人类的健康。以致癌作 用为例，全世界每年有500多万人死于癌症，世界卫生组织(WHO )认为，人 类的癌症绝大部分是由环境因素引起的，镍就是其中的一种。
镍的污染主要来源于采矿、冶炼、电池、电镀、印染等工业废水的排放。 排至水体环境中的镍不能被生物降解或者转化为无害物，通过生物链富集到
3一定程度，镍对人体会有严重的危害。我国已经将镍及其化合物列入水中优 先控制的污染物的黑名单中。
现有的离子交换树脂方法中，离子交换树脂的制备过程繁瑣，因而成本 较高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种过滤介质，主要用于去除水中的镍，从而 达到改善水质的目的。
本发明的另 一个目的是提供一种用于去除水中镍的过滤介质的制备方法。
为了达到以上发明目的，本发明采用以下^t术方案
一种用于去除水中镍的过滤介质的制备方法，包括如下步骤
a) 将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子筛粉、凹凸棒 石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子 筛粉、凹凸棒石粉和发孔剂的重量比为100 - 300: 50 ~ 100: 100 - 200: 100 ~ 200: 50 ~100;
b) 将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。 压制压力可以选择为0. 4~1. 0MPa,烧结温度为220 ~ 240°C,烧结时
间为10 200分钟，冷却至70。C以下可以脱模。在此制作过程中，在发明人 多次的试验之后，得出在220 24(TC的范围内制作出的过滤介质，过滤效果 更好。
所述的超高分子量聚乙烯为重均分子量大于100万的聚乙烯，优选使用 重均分子量为250 - 400万的聚乙烯。超高分子量聚乙烯可从国内生产厂家得 到，如北京东方石油化工有P艮公司助剂二厂可提供M-I型(分子量为150± 50万)、M-II型(分子量为250 ±50万)、M-III型(分子量为350 ±50万)、 M-IV型(分子量为大于400万)等规格的产品。超高分子量聚乙烯的一个作 用是粘结和形成过滤介质骨架的作用，因为超高分子量聚乙烯的分子量大， 熔融粘度非常高，熔融以后不能流动，所以利用超高分子量聚乙烯通过压制， 烧结得到的过滤介质，容易形成微孔，可以起到吸附水中镍的作用。活性炭是一种多孔性物质，它具有如蜂窝状的孔隙结构、巨大的比表面 积、特异的表面官能团、稳定的物理和化学性能，是优良的吸附剂、催化剂 或催化剂载体。才艮据原料来源不同活性炭可分为木质活性炭，如椰壳活性炭、 杏壳活性炭、木质粉炭等；矿物质原料活性炭，如各种煤和石油及其加工产
物为原料制成的活性炭；其它原料制成的活性炭，如废橡胶、废塑料等制成
的活性炭。其中以椰壳材质为来源的活性炭强度较高、吸附性能较好。优选
活性炭的比表面积不低于500平方米/克，更优选不低于1000平方米/克。
活性炭可以高效吸附水中的杂质，尤其是医用活性炭，作为通过国家相 关药品监督标准的产品，杂质含量更低，表面积更大，吸附效果也更好。选 用医用活性炭可以保证过滤介质直接用于^t用水的处理。活性炭使用粒径为 38 ~ 250微米的医用活性炭去除镍的效果更佳。
分子筛是一种具有立方晶格结构的硅酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥 连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均勻的孔道和排列整齐、内 表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合 态的水。由于水分子在受热过程中连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成 了许多大小相同的空腔，空腔又由许多直径相同的微孔相连，这些微小的空 穴直径大小均匀，能比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部，而把比孔道大 的分子排斥在外，因而能把形状直径大小不同的分子、极性程度不同的分子、 沸点不同的分子、饱和程度不同的分子分离开来，即具有"筛分"分子的作 用，故称为分子筛。分子筛对于水中镍具有强大的吸附和截留作用。
常用的分子筛型号有
A型钾A ( 3A ),钠A ( 4A )，钓A ( 5A );
X型4丐X (10X),钠X (13X);
Y型钠Y, 4丐Y。
分子篩吸湿能力极强，存放时间较长并已经吸湿的分子筛使用前应进行 再生处理。再生处理的方法^f艮多，中国专利ZL91111093中^^开了一种再生处 理的方法，包括以下步骤(1)将硫酸铵与废分子筛裂化催化剂按照重量比 为0.25-1.5: l混合均匀；(2 )加热至250 ~ 600。C焙烧获得可溶性盐；(3) 焙烧产物用水浸，使可溶性盐溶于水中；(4)过滤使溶液与分子筛滤渣分离；(5)滤渣用水或稀氨水洗涤，直至洗到无S0 —; (6)滤渣在50 100。C下干 燥。如果分子筛为没有吸湿的分子筛，则可以直接使用而不需要进行再生处 理。本发明中所使用的分子筛粉为纳米X型沸石分子筛粉，此类型的分子筛 粉相对于其他类型的沸石分子筛粉，具有更好的去除水中镍的作用。
凹凸棒石为单斜晶系，其理想化学式为Mg5 (H20) 4 [Si401Q] 2 (OH) 2，化学成分 理^仑值为MgO 23.83%， Si02 56. 96%, H20 19.21%。自然界中的凹凸棒石常有 Al3+、 Fe"等类质同象置换，富Al3+、 Fe^的变种称为铝凹凸棒石和铁凹凸棒石。 如江苏省盱眙县龙王山产的铝凹凸棒石4分的成分为Si0258. 38%, MgO 12. 10%, Al2039. 50%， CaO 0. 40%, TiO20. 56%， MnO 0. 05%, Fe203+FeO 5. 26%, Na20 1. 10%, K20 1. 24%。由于凹凸棒石在结构中有类似于沸石的大通道，因此具有良好的 吸附性能，并且对金属镍有良好的吸附性能。凹凸棒石粉的吸附性能与矿物 中Si02的含量有关，含量越高吸附力越强，经酸活化处理后的凹凸棒石粉的性
表面积增大了数十倍，对金属镍的吸附率相应也得到了提高，并且经过活化 处理的凹凸棒石粉还有较强的阳离子交换性能，交换容量;f艮大。
凹凸棒石粉的酸活化方法较多，有硫酸法、盐酸法、硫酸-盐酸混合法等。 如申请号为90105849.1的中国发明专利申请公开了一种凹凸棒石粉的酸浸 泡活化工艺，包括将小块的体积约0. 5 100cr^的凹凸纟奉石粘土原矿，用浓 度为l~15wt% (质量分数)的无机酸溶液，如硫酸、盐酸溶液等，静止浸 泡2-100小时，过滤才齐压成片，用转筒干燥器在280 350。C下活化30 50 分钟，粉碎成50 100微米的脱色力为250 ±5的活性凹凸棒石粉。
更为优选的方案是，纳米X型沸石分子篩粉和经过热活化处理的凹凸棒 石粉相配合，此时它们具有更大的比表面积，对镍有更强的去除效果，并且 吸附容量更大。在pH为6 8的条件下，去除率高于其他条件，达到93%以 上。所述凹凸棒的热活化处理的具体工艺是在温度为300 500。C时焙烧凹凸 才奉石4分0. 5~ 3小时。
上述的用于去除水中镍的过滤介质的制备方法，步骤a)中的原料需要 加入适当量的发孔剂，所述发孔剂选择偶氮二曱酰胺、食品级碳酸氢铵、草 酸中的至少一种。作为优选，发孔剂为偶氮二曱酰胺或食品级碳酸氩铵。其中，食品级碳酸氩铵也称食用级碳酸氢铵，与工业级碳酸氢铵相区别。虽然 工业级碳酸氢铵也有发孔的作用，但是它可能会含有对健康有害的杂质，不 宜用作饮用水过滤介质的生产原料。发孔剂是一类易分解产生大量气体而引 起发孔作用的物质，其中偶氮类化合物、碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸铵、磺 酰腈类化合物、草酸等是其典型的代表。
虽然本发明对于上述制备方法中步骤a)中所用的几种原料进行了较为
详尽的描述，但是本发明不局限于此种理论。对于在制备过程中它们之间的 具体的化学变化、结构的变化尚不能确定。此几种原料经过上述的工艺处理 制备出的过滤介质，可以有效去除水中的镍，并且有协同作用，可以将水中 的镍充分吸收。
在本发明中，对于混合步骤，可以认为任何不会显著改变粉体粒径和粒 度分布的低剪切混合器或搅拌器都是适用的，比如具有钝的叶轮叶片的搅拌 器、滚筒式混合器、螺旋式搅拌器等，转速要视混合器的类型而定，但以避 免扬起粉尘为宜。
混合后的粉体填装入预先设计好的模具中，通过加压将其压实，压力一
般不大于2MPa,且与所用模具的材质相适应；模具可以由铝、铸铁、钢或任 何适当的能承受相应压力和温度的材料制造。可以在模具内表面涂敷脱模剂， 可选用硅氧烷油或任何其他的几乎不会吸附到过滤介质上的市售脱模剂，也 可以使用脱模纸。
本发明还提供了以下技术方案 一种使用了上述过滤介质的滤芯。 本发明还提供了以下技术方案 一种净水装置，包括上述的过滤介质或 者滤芯。
本发明还提供了 一种包括上述净水装置的饮水机。
相对于现有技术，本发明的优点在于所提出的技术方案能够去除水中的 镍，去除率达到90%以上，从而达到改善7jc质的目的，并且方法简单，成本 低，见效快。
具体实施例方式
为能进一步理解本发明，下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的 阐述和说明。 实施例1
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉120g,所述超高分子量聚乙烯为北京东 方石油化工有P艮^^司助剂二厂的M-II型产品，其分子量为250万；
(2) 称取医用活性炭粉100g,所述医用活性炭的粒径为38~ 250微米； (3 )称取纳米X型沸石分子筛粉200g,所述纳米X型沸石分子筛粉的
粒径为13~124;徵米；
(4)称取凹凸棒石粉130g,所述凹凸棒石粉的粒径为10~178微米；
(5 )称取食品级碳酸氢铵60g,纯度达到99. 99°/。以上；
(6 )将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌15分钟混合均匀；
(7) 装填入管状模具中，在0. 7MPa的液压压力下压制，在24(TC温度 下烧结150分钟。
(8) 自然冷却至5(TC然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。 制备的滤芯的直径为50隨，长度为8mm。
实施例2
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉280g,所述超高分子量聚乙烯为北京东 方石油化工有限^^司助剂二厂的M-ni型产品，其分子量为350万；
(2) 称取医用活性炭粉50g,所述医用活性炭的粒径为78 - 250微米；
(3 )称取纳米X型沸石分子筛粉120g,所述纳米X型沸石分子筛粉的 粒径为78 124孩i米；
(4)称取凹凸棒石粉170g,所述凹凸棒石粉的粒径为10 150孩i米；
(5 )称取食品级碳酸氢铵50g,纯度达到99. 99°/。以上；
(6 )将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌12分钟混合均匀；
(7) 装填入管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在23(TC温度 下烧结180分钟。
(8) 自然冷却至5(TC然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。 制备的滤芯的直径为50mm,长度为8mm。实施例3
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉160g，所述超高分子量聚乙烯为北京东 方石油化工有限公司助剂二厂的M-II型产品，其分子量为250万；
(2) 称取医用活性炭粉70g,所述医用活性炭的粒径为89~ 250微米；
(3) 称取纳米X型沸石分子筛粉180g,所述纳米X型沸石分子筛粉的 粒径为10~124《效米；
(4) 称取凹凸棒石粉160g，所述凹凸才奉石粉的粒径为10 15(M敖米； (5 )称取草酸80g,纯度达到99. 99%以上；
(7) 装填入管状才莫具中，在0. 6MPa的液压压力下压制，在230。C温度 下烧结150分钟。
(8) 自然冷却至25。C然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。 制备的滤芯的直径为50mm,长度为8mm。
实施例4
(1) 称取超高分子量聚乙烯粉160g,所述超高分子量聚乙烯为北京东 方石油化工有限公司助剂二厂的M-II型产品，其分子量为250万；
(2) 称取医用活性炭粉70g,所述医用活性炭的粒径为89~ 250微米；
(3) 称取纳米X型沸石分子筛粉180g,所述纳米X型沸石分子筛粉的 粒径为10~ 124孩支米；
(4) 称取凹凸棒石粉160g，所述凹凸棒石粉的粒径为10 15(M敖米， 此凹凸棒石粉经过温度为500°C、时间为2小时的焙烧处理；
(5 )称取草酸80g，纯度达到99. 99%以上；
(6 )将上述五种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7) 装填入管状^^莫具中，在0. 6MPa的液压压力下压制，在230。C温度 下烧结150分钟。
(8) 自然冷却至25。C然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。 制备的滤芯的直径为50mm，长度为8mm。
9实施例5
取实施例1~4所得多微细孔的管状滤芯1， 2, 3, 4,内衬两层无纺布， 外包两层无纺布，再在外层裹上聚丙烯多孔网，滤芯两端粘接上连接端盖， 放置于不锈钢或塑料壳体内，用于处理饮用水，经检测，该结构滤芯对饮用 水中的镍的去除效果好，如表1所示。非常适合家庭终端饮用水处理的需要。 表l使用滤芯处理前后的水，单位jug/L(微克/升)
^^^^[试项目 使用滤芯^^^^^镍 (处理前)镍 (处理后)
滤芯117. 50. 17
滤芯217. 50. 16
滤芯317. 50. 17
滤芯417. 50. 12
从表1可以看出，利用本发明的滤芯进行去除水中的镍取得了很好的效
果。利用焙烧过的凹凸棒石粉的滤芯4的去除效果相对于滤芯3更好。
滤芯进行了详细介绍。本说明书中应用了具体实施例对本发明的原理及实施 方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实 施方式及应用范围上可能在实施过程中会有改变之处。因此，本说明书记载 的内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种用于去除水中镍的过滤介质的制备方法，包括如下步骤a)将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子筛粉、凹凸棒石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子筛粉、凹凸棒石粉和发孔剂的重量比为100～300∶50～100∶100～200∶100～200∶50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。
2 、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为22 0 ~ 240°C。
3、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙 烯的分子量为250 ~ 400万。
4、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性炭为医用活 性炭，其粒径为38~ 250微米。
5、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凹凸棒石粉为经 过酸化处理的凹凸棒石粉。
6、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述的原 料还包括发孔剂，所述发孔剂为偶氮二曱酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至 少一种。
7、 根据权利要求1 ~ 6中任一项所述的制备方法得到的过滤介质。
8、 使用权利要求7所述过滤介质的滤芯。
9、 一种净水装置，包括使用权利要求7所述的过滤介质或者权利要求8 所述的滤芯。
10、 一种饮水机，包括权利要求9所述的净水装置。
全文摘要
一种用于去除水中镍的过滤介质的制备方法，包括如下步骤a)将包含超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子筛粉、凹凸棒石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、纳米X型沸石分子筛粉、凹凸棒石粉和发孔剂的重量比为100～300∶50～100∶100～200∶100～200∶50～100；b)将步骤a)所得的混合物在模具中压制、烧结、冷却。本发明还公开了一种利用此制备方法得到的过滤介质、滤芯、以及利用该过滤介质或者滤芯的净水装置和饮水机。相对于现有技术，本发明的优点在于所提出的技术方案能够去除水中的镍，去除率达到90％以上，从而达到改善水质的目的，并且方法简单，成本低，见效快。
文档编号B01J20/30GK101628230SQ20081013254
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月15日 优先权日2008年7月15日
发明者周奇迪 申请人:周奇迪