吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法和应用，该制备方法包括如下步骤：选取椰壳颗粒活性炭进行预处理；用浸渍法在活性炭表面负载二氧化钛；将负载后的活性炭干燥得到吸附饮用水中重金属和砷、氟离子的滤芯；本发明还公开了滤芯的应用，将所述滤芯使用在过滤设备中用于吸附饮用水中重金属和砷、氟离子；通过负载TiO2从而提高活性炭吸附多种重金属离子和砷、氟离子的能力，达到国家饮用水标准，有利于保障居民的饮用水安全；通过常温将TiO2负载于活性炭上，显著降低了生产成本，方法简便，设备简单，易于推广。
【专利说明】吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于水处理领域，具体涉及一种吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法和应用，这种滤芯应用于各种饮用水处理设备，如家用饮水机等，也可以用于污水处理。
【背景技术】
[0002]随着工农业生产和城市现代化的迅速发展，环境污染日益严重，其中重金属离子和砷、氟、汞等离子在环境中只能改变形态或被转移、稀释、积累，却不能降解和彻底消除，威胁着人类饮水安全和健康。因此，如何消除水中的有害重金属是迫在眉睫的环境问题。
[0003]目前，处理重金属的方法有很多，包括:混凝沉淀法、吸附法、氧化法、离子交换法、膜分离法、生物方法、光化学技术等。但是对于饮用水的处理，由于这些有害离子的含量通常很低，所以很多方法的应用受到限制，如混凝沉淀法更适合于污水处理；氧化还原法必须连续使用而且一些氧化剂对水也存在污染；生物法需要较长时间才能见效；离子交换法和膜分离法成本较高；光催化法依赖光源等设备而且制备催化剂成本较高。目前饮用水的处理方法以吸附法，反渗透和超滤膜为主。由于重金属离子的体积较小，如果采用反渗透和超滤膜就需要孔径非常小，这样出水量也会减小，供水出现问题，同时成本也会提高。吸附法简单有效，成本低，适用于重金属离子和砷、氟、汞等离子的消除。
[0004]活性炭作为一种优质吸附剂，具有独特的孔隙结构和表面官能团，其机械强度高，有足够的化学稳定性，并且可以耐酸、耐碱、耐热。在水处理过程中活性炭不仅能够除臭、除味、除色度，还可以去除OCPs (有机氯农药)、ABS (烷基苯磺酸钠、合成洗涤剂)等有机污染物，目前活性炭已成为应用广泛的水处理吸附剂之一。活性炭虽然可以用于各种重金属的共同去除，但吸附容量并不理想，需对活性炭改性。近年来，二氧化钛(TiO2)作为新型的催化剂和吸附剂，成为材料学、环境科学的一个研究热点；Ti02对许多金属离子具有较强的吸附能力；但是TiO2作为粉体单独使用，成本较高，而且难以回收。因此基于以上两点，TiO2需要载体负载。本专利利用活性炭(AC)负载TiO2构成Ti02/AC吸附剂，吸附重金属离子和砷、氟、汞等离子，保障居民的饮用水安全。
[0005]经过专利检索，目前利用TiO2去除重金属离子和砷、氟、汞等离子的专利有很多，可以分为先催化氧化后吸附和直接吸附两大类。先催化氧化后吸附的方法需要TiO2具备较强的光催化能力以及催化所需的光照等条件，相比直接吸附较复杂。如申请号201010157248.0和201110402563.X的文献，都是先通过400度以上的高温制备TiO2,然后利用光电催化处理工业水和污泥。还有一些专利只是提到改进TiO2的制备方法来提高其光催化性能，如 200510049369.2,200610025568.4,200810034554.8,200910153373.1，201010017935.2,201010259771.4,201110004813.4,201110093927.0,201210270940.3，201210271973.X等，都是需要在400度以上的高温制备TiO20文献201210054103.7为水热法制备Ti02。文献201110328561.0需要在100°C?300°C，真空条件下烘干4h。总之，这些方法都需要比较高的合成条件和催化条件。[0006]对于直接吸附的方法大部分采用粉体直接吸附，这样在粉体回收时会有一定困难。文献 200910238505.0,201310013818.2 和 201110022984.X 采用沉淀法合成 TiO2 粉体用于吸附。文献201110066392.8利用水热法制备粉体，进行吸附。文献201010500917.X在合成粉体时需要灼烧，利用粉体进行吸附。
[0007]对于直接吸附的方法也有负载在载体上吸附的文献。如200410099361.2利用蒙脱土高温烧结负载；201110258143.9以交联壳聚糖为基体，用交联剂粘合纳米TiO2和纳米Fe3O4粉体负载；201110341090.7水热法负载TiO2在活性炭上；200910223338.2通过高温焙烧将TiO2和氧化镧负载于活性炭上。这些方法中通过高温烧结会使成本升高，通过交联剂粘合以及水热法也会使操作变得复杂。
[0008]本专利通过常温负载TiO2于活性炭上，显著降低了生产成本，方法更加简便，而且取得了很好的吸附效果。其原理在于吸附剂的吸附能力取决于吸附剂表面钛离子的数量，而不取决于TiO2的晶体结构。高温煅烧可以使TiO2形成锐钛矿型晶体，有助于光催化，但对于吸附而言影响不大。因此本专利去掉了高温煅烧过程，吸附效果依然显著。
【发明内容】
:
[0009]本发明针对目前通用的家用净水设备的前三级(PP棉，颗粒活性炭和粉末活性炭)，对去除多种有害金属离子以及砷、氟、汞离子的效果不太理想问题，对其中的颗粒活性炭进行改性，负载TiO2使其具备高效去除饮用水中多种有害金属离子和砷、氟、汞离子的能力，而且制备过程简单，容易大规模生产，成本低廉。
[0010]本发明提供一种吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法包括如下步骤:
[0011](I)选取椰壳颗粒活性炭进行预处理；
[0012](2)用浸溃法在活性炭表面负载二氧化钛；
[0013](3)将负载后的活性炭干燥得到吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯；
[0014](4)根据需要，重复上述步骤(2)和(3)进行多次负载。
[0015]上述步骤(I)中，椰壳颗粒活性炭的预处理是用水煮沸或超声或酸洗，再用水洗涤，然后在95?104.5°C烘干。
[0016]上述步骤(2)中在活性炭表面负载二氧化钛方法是:
[0017](a)将钛酸丁酯缓慢加入正在搅拌的无水乙醇和冰醋酸混合液，形成A液；同时将无水乙醇、冰醋酸和蒸馏水混合，形成B液；将B液缓慢滴入A液，得到的混合液继续搅拌3小时、陈化12小时后得稳定、均匀、清澈透明的TiO2溶胶；所述A液中的钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸的摩尔比为1:26:12 ;B液中无水乙醇、冰醋酸、蒸馏水的摩尔比为34:9:36 ；
[0018](b)将预处理好的椰壳颗粒活性炭浸泡于陈化后的TiO2溶胶中进行负载30min，负载后活性炭与剩余的溶胶分离；负载前酞酸丁酯与活性炭的质量比为1:10。
[0019]上述步骤(a)中，在B溶液中加入金属盐或非金属盐，调节TiO2的吸附性能，所加入的金属盐或非金属盐与钛酸丁酯的摩尔比为0.1?3%。
[0020]所加入的金属盐或非金属盐为:ScCl3、Sc(NO3) 3、VCl5, V (NO3) 5、CrCl3.6H20、Cr (NO3) 3、MnCl2.6H20、Mn (NO3) 2.4H20、FeCl3.6Η20、Fe (NO3) 3、CoCl2.6Η20、Co (NO3) 2、NiCl2.6H2O, Ni (NO3)2' CuCl2.2Η20、Cu(NO3)2' ZnCl2' Zn(NO3)2' YC13、Y(NO3)3' SmCl3、Sm(NO3)3' EuCl3' Eu(NO3)3' TbCl3' Tb (NO3)3, CeCl3, (NH4) 2Ce (NO3) 6、LuCl3' Lu (NO3) 3、YbCl3,Yb (NO3) 3、DyCl3、Dy (NO3) 3、NdCl3, Nd (NO3) 3、LaCl3、La (NO3) 3、PrCl3、Pr (NO3) 3、HoC13、Ho (NO3) 3、GdCl3, Gd (NO3) 3、TmCl3、Tm (NO3) 3、ErCl3、Er (NO3) 3、尿素(CO (NH2) 2)或 ΝΗ4Ν03。
[0021]上述步骤(3)中负载二氧化钛后的活性炭的干燥是在常温条件下自然风干。
[0022]上述负载二氧化钛后的活性炭的干燥提高干燥温度或添加通风设备可加快干燥速度。
[0023]本发明还提供一种所述的吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯的应用，将所述滤芯使用在过滤设备中用于吸附饮用水中重金属和砷、氟离子。
[0024]本发明的有益效果:
[0025](I)通过负载TiO2从而提高活性炭吸附多种重金属离子和砷、氟、汞离子的能力，达到国家饮用水标准，有利于保障居民的饮用水安全；
[0026](2)通过常温将TiO2负载于活性炭上，显著降低了生产成本，方法简便，设备简单，易于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是负载TiO2的活性炭材料的扫描电镜图。
[0028]图2是负载TiO2的活性炭滤芯除去多种重金属离子和砷、氟离子的实验装置。
[0029]其中:1.循环水泵2.进水水槽3.循环自吸泵4.调速阀5.改性活性炭滤芯6.出水口。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明:
[0031]实施例1:
[0032]一、吸附饮用水中重金属和砷、汞、氟离子的滤芯的制备:将椰壳颗粒活性炭水煮沸约0.5h，再用水洗涤，在95?104.5°C烘干，冷却备用。将钛酸丁酯缓慢加入正在搅拌的无水乙醇和冰醋酸混合液，形成A液；同时将无水乙醇、冰醋酸和蒸馏水混合，形成B液；将B液缓慢滴入A液，得到的混合液继续搅拌3小时、陈化12小时后得稳定、均匀、清澈透明的TiO2溶胶；所述A液中的钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸的摩尔比为1:26:12出液中无水乙醇、冰醋酸、蒸馏水的摩尔比为34:9:36 ;将预处理好的活性炭浸泡于陈化后的TiO2溶胶中进行负载约30min，负载前酞酸丁酯与活性炭的质量比为1:10。将负载后活性炭与剩余的溶胶分离，负载二氧化钛后的活性炭在常温条件下自然风干。重复负载过程，共进行负载三次，得到滤芯。
[0033]二、反应器装置如图2所示，用去离子水配成体积为6L，浓度为100μ g/L的As3+溶液倒入进水水槽，调节溶液PH值为6.5?7.5，水槽中有两个循环水泵在实验过程中一直运行使溶液混合均匀，通过循环自吸泵把水样通入改性活性炭滤芯，进入滤芯前有一个控制水样流速的阀门，流速5min/L ;接取通过改性活性炭滤芯的水样，进行检测。
[0034]实验结果:通过改性活性炭滤芯后，出水溶液中As3+浓度低于国家标准10 μ g/L。
[0035]实施例2:
[0036]本实施例与实施例1不同的是实验过程中B溶液加入盐，进水溶液为浓度400 μ g/L的As3+溶液。添加金属盐或非金属盐的分子式，添加金属盐或非金属盐与钛酸丁酯的摩尔比，出水中As3+的浓度(μ g/L)如下表:
[0037]
【权利要求】
1.一种吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)选取椰壳颗粒活性炭进行预处理； (2)用浸溃法在活性炭表面负载二氧化钛； (3)将负载后的活性炭干燥得到吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯； (4)根据需要，重复上述步骤(2)和(3)进行多次负载。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:上述步骤(1)中，椰壳颗粒活性炭的预处理是用水煮沸或超声或酸洗，再用水洗涤，然后在95~104.5°C烘干。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:上述步骤(2)中在活性炭表面负载二氧化钦方法是: (a)将钛酸丁酯缓慢加入正在搅拌的无水乙醇和冰醋酸混合液，形成A液；同时将无水乙醇、冰醋酸和蒸馏水混合，形成B液；将B液缓慢滴入A液，得到的混合液继续搅拌3小时、陈化12小时后得稳定、均匀、清澈透明的TiO2溶胶；所述A液中的钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸的摩尔比为1:26:12 ；B液中无水乙醇、冰醋酸、蒸馏水的摩尔比为34:9:36 ； (b)将预处理好的椰壳颗粒活性炭浸泡于陈化后的TiO2溶胶中进行负载30min，负载后活性炭与剩余的溶胶分离；负载前酞酸丁酯与活性炭的质量比为1:10。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:上述步骤(a)中，在B溶液中加入金属盐或非金属盐，调节TiO2的吸附性能，所加入的金属盐或非金属盐与钛酸丁酯的摩尔比为0.1~3%。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于:所加入的金属盐或非金属盐为:ScCl3、Sc (NO3) 3、VCl5, V (NO3) 5、CrCl3.6H20、Cr (NO3) 3、MnCl2.6H20、Mn (NO3) 2.4H20、FeCl3.6H20、Fe(N03)3、CoC12.6H20、Co (NO3) 2、NiCl2.6H20、Ni(NO3)2' CuC12.2H20、Cu (NO3) 2、ZnCl2, Zn (NO3) 2、YC13、Y (NO3) 3、SmCl3、Sm(NO3) 3、EuC13、Eu (NO3) 3、TbCl3、Tb(NO3)3'CeCl3' (MM)2Ce(NO3) 6、LuCl3' Lu (NO3) 3、YbCl3' Yb (NO3) 3、DyCl3, Dy (NO3) 3、NdCl3,Nd (NO3) 3、LaCl3、La (NO3) 3、PrCl3> Pr (NO3) 3、HoC13、Ho (NO3) 3、GdCl3, Gd (NO3) 3、TmCl3'Tm(NO3) 3、ErCl3^Er (NO3) 3> 尿素(CO(NH2)2)或 ΝΗ4Ν03。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其 特征在于:上述步骤(3)中负载二氧化钛后的活性炭的干燥是在常温条件下自然风干。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于:上述负载二氧化钛后的活性炭的干燥提高干燥温度或添加通风设备可加快干燥速度。
8.—种权利要求1所述的吸附饮用水中重金属和砷、氟的滤芯的应用，其特征在于:将所述滤芯使用在过滤设备中用于吸附饮用水中重金属和砷、氟离子。
【文档编号】B01J20/20GK103752268SQ201410021223
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】魏志钢, 袁建珍, 尤灿, 李隋亮, 汤丽贤, 邹燕娣, 潘湛昌, 胡光辉, 梁凯, 陈耀祖 申请人:广东工业大学