用于去除水中多氯联苯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多氯联苯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，导致水中产生很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。
多氯联苯又称PCBs，被广泛用作电器绝缘材料、杀虫剂、粘合剂和塑料增塑剂等等，是一种稳定性极高的化学物质，其污染范围已极为广泛。PCBs在环境中不容易分解，一般情况下极难溶于水，容易溶于有机溶剂和脂肪中。它进入生物体内也很稳定，一旦进入机体便不容易排泄，而聚集于脂肪组织、肝和脑中，引起皮肤和肝脏的损坏。动物实验表明，PCBs对肝脏、胃肠系统、神经系统、生殖系统、免疫系统的病变、癌变都有诱导效应。相当多的数据表明，PCBs可能造成内分泌系统紊乱，破坏、诱发生殖器官病变以致恶性肿瘤。我国武汉东湖及其他城市地面水中都检测出PCBs。因为它在环境中极其稳定，半衰期约为40年，可通过生物链富集，属于全球必须立即控制的高残留、高生物伏击、高生物毒性的物质。PCBs主要是通过大气沉淀和随工业、城市废水向河湖、沿岸水体排放等进入水体，由于它是一种疏水性化合物，从而决定了它在水中的主要存在形式，除一小部分溶解外，大部分PCBs都是附着于悬浮物颗粒上。
常规的水处理工艺很难去除PCBs。近年来出现的给水生物预处理对PCBs有一定的去除效果，因为PCBs难降解，加上水力停留时间短，去除效果不理想。目前对PCBs的去除主要集中在优势菌种的筛选上，比较费时，往往还达不到目的。
【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多氯联苯，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多氯联苯的过滤介质的制备方法。
为了达到以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于去除水中多氯联苯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、蒙脱石粉和发孔剂的原料混合，超高分子量聚乙烯、活性炭、蒙脱石粉和发孔剂的重量比为：150～300∶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。
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限公司助剂二厂可提供M-I(分子量为150±50万)、M-II(分子量为250±50万)、M-III(分子量为350±50万)、M-IV(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，另外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，可以起到吸附水中杂质的作用。
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。根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饮用水的处理。活性炭使用粒径为38～250微米的医用活性炭去除多氯联苯的效果更佳。
蒙脱石粉的改性对于提高去除水中多氯联苯地效果有积极的意义。优选使用铁改性蒙脱石粉。一种具体的铁改性蒙脱石粉的方法包括如下步骤：
1)按蒙脱石∶蒸馏水＝1∶5～30的重量比将蒙脱石在蒸馏水中浸泡24～48小时，使其在水中分散制成悬浮液，过200～400目筛后，静置，使其沉降20～24小时，提取15cm深度以上悬浮液，离心、干燥后得到粒度小于0.5微米的蒙脱石；
2)钠基蒙脱石或钙基蒙脱石的钠化；
3)制备FeCl3改性液，方法如下：
①先制备浓度为0.2～1mol/L的FeCl3水溶液，
②在不断搅拌的情况下，将0.5～1mol/L的NaOH滴入FeCl3水溶液中至OH-/Fe3+＝2.8～3.5，将反应温度控制在60～90℃，反应终止pH为4～5，
③反应结束后继续搅拌2～4小时，然后在25～35℃温度下陈化6～8天或60～70℃陈化1～3天，即得铁改性液；
4)蒙脱石改性：
①将铁改性液在不断搅拌下加入钠蒙脱石，加入比例为钠蒙脱石，铁改性液＝100g∶100～300ml，反应温度为25～35℃，加完改性液继续搅拌1～4小时，然后在室温下陈化3～7天，
②将混合液3000～4000转离心10～20分钟，弃去上清液，在80～90℃温度下干燥20～24小时，然后用蒸馏水离心洗涤3～6次后，在80～90℃干燥得到最终铁改性的蒙脱石粉。
改性蒙脱石粉对有机物有良好的吸附作用，蒙脱石为天然原状粘土，结构呈现层片状结晶体，经活化处理后，其层片状结构由原先的紧密叠加变成为松散叠加，具有较大的吸附表面，吸附能力得以加强。属于层片状表面吸附。它不同于活性炭的孔状吸附，且具有活化吸附、絮凝、生化活性等良好的性能。
蒙脱石粉优选使用粒径为10～150微米的蒙脱石粉。
医用活性炭粉和改性蒙脱石粉对微量PCBs具有优良的孔状吸附片状表面吸附，及超高分子量聚乙烯粉末的静电吸力，再加上烧结后的精密过滤，共同作用，使得PCBs去除率大于95％。
发孔剂选择偶氮二甲酰胺、食品级碳酸氢铵、草酸中的至少一种。作为优选，发孔剂为偶氮二甲酰胺或食品级碳酸氢铵。其中，食品级碳酸氢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。
压制压力可以选择为0.4～1.0MPa，烧结温度为：200～240℃，烧结时间为10～200分钟，冷却至70℃以下可以脱模。
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多氯联苯，并且有协同作用，可以将水中的多氯联苯充分吸收。
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1MPa，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，也可以使用铝箔等脱模纸。
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多氯联苯，去除率达到95％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。
【具体实施方式】
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220g，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-III型产品，其分子量为350万；
(2)称取医用活性炭粉200g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；
(3)称取铁改性蒙脱石粉100g；
(4)称取食品级碳酸氢铵50g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)装填入直径为50mm管状模具中，在0.7MPa的液压压力下压制，在230℃温度下烧结150分钟；
(8)自然冷却至50℃然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
步骤(3)中所述的铁改性蒙脱石可以通过下列方法得到：
1)按蒙脱石∶蒸馏水＝1∶15的重量比将蒙脱石在蒸馏水中浸泡36小时，使其在水中分散制成悬浮液，过400目筛后，静置，使其沉降24小时，提取15cm深度以上悬浮液，离心、干燥后得到粒度小于0.5微米的蒙脱石；
2)钠基蒙脱石或钙基蒙脱石的钠化；
3)制备FeCl3改性液，方法如下：
①先制备浓度为0.6mol/L的FeCl3水溶液，
②在不断搅拌的情况下，将0.5mol/L的NaOH滴入FeCl3水溶液中至OH-/Fe3+＝3.0，将反应温度控制在70℃，反应终止pH为5，
③反应结束后继续搅拌3小时，然后在30℃温度下陈化7天或65℃陈化2天，即得铁改性液；
4)蒙脱石改性：
①将铁改性液在不断搅拌下加入钠蒙脱石，加入比例为钠蒙脱石，铁改性液＝100g∶200ml，反应温度为30℃，加完改性液继续搅拌2.5小时，然后在室温下陈5天，
②将混合液3500转离心15分钟，弃去上清液，在85℃温度下干燥24小时，然后用蒸馏水离心洗涤5次后，在85℃干燥得到最终铁改性的蒙脱石粉。
实施例2
(1)称取超高分子量聚乙烯粉300g，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150g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；
(3)称取铁改性蒙脱石粉120g，改性方法同实施例1；
(4)称取食品级碳酸氢铵70g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)装填入直径为50mm管状模具中，在0.6MPa的液压压力下压制，在220℃温度下烧结100分钟；
(8)自然冷却至室温然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
实施例3
(1)称取超高分子量聚乙烯粉150g，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180g，所述医用活性炭的粒径为38～250微米；
(3)称取铁改性蒙脱石粉200g，改性方法同实施例1；
(4)称取食品级碳酸氢铵100g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)装填入直径为50mm管状模具中，在0.9MPa的液压压力下压制，在200℃温度下烧结160分钟；
(8)自然冷却至室温然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
实施例4
(1)称取超高分子量聚乙烯粉180g，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-I型产品，其分子量为150万；
(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)称取铁改性蒙脱石粉160g，改性方法同实施例1；
(4)称取草酸80g，纯度达到99.99％以上；
(5)将上述四种粉末放入机械搅拌器中搅拌10分钟混合均匀；
(7)装填入直径为50mm管状模具中，在0.5MPa的液压压力下压制，在240℃温度下烧结170分钟；
(8)自然冷却至室温然后脱模，即得多微细孔的管状滤芯。
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多氯联苯的去除效果好，如表1所示。非常适合家庭终端饮用水处理的需要。
表1 使用滤芯处理前后的水单位：mg/L
从表1可以看出，利用本发明的滤芯进行去除水中的多氯联苯取得了很好的效果。
以上对本发明所提供的过滤介质及其制备方法以及由该过滤介质制成的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。