CN108579211A - 一种石墨烯pp棉复合滤芯及其制备方法和应用 - Google Patents

一种石墨烯pp棉复合滤芯及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯PP棉复合滤芯及其制备方法和应用，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层、疏松结构层；所述紧密结构层、疏松结构层均采用石墨烯PP棉复合材料制备。所述复合滤芯按照紧密‐疏松‐紧密‐疏松的结构设置，水流经过石墨烯PP棉时，由于复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构，使得从不同网格出来的水流不断在滤芯中呈现回流状态，过滤效果更加充分、净化效果更加明显；可有效滤除原水中的泥沙、杂质、胶体、悬浮物等，使原水得到初步的净化。

Description

一种石墨烯PP棉复合滤芯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及净水滤芯技术领域，具体地说，涉及一种石墨烯PP棉复合滤芯及其制备方法和应用。
背景技术
自来水中含有细菌、重金属、异味气体、色素等有害物质，据统计，通常自来水中含有大约2000多种化合物，其中200多种对人体有害，其中细菌是水污染的主要原因。研究表明：饮用水中的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽胞杆菌及致病性大肠埃希氏菌等致病菌会对人类健康产生非常严重的影响。***是一种理想的家庭净水设备，用于自来水净化，使受到污染及未达到安全饮用水标准的自来水经本***处理后，均能得到较大改善。可有效去除铁锈、泥沙、余氯、异色异味、有机物、重金属离子以及大于1μm的虫卵、红虫等。现有技术中，***的前置过滤装置，通常设置有两级滤芯，第一级为PP棉滤芯，第二级为压缩活性炭滤芯，所述两级滤芯设置于水处理通路上。PP滤芯多吸附水中悬浮杂质、颗粒、污泥等，以微米(μm)为分级的标准，常见的是1、5、10、20μm等过滤孔径，采用熔喷工艺，通过特殊的接收装置，使得熔喷超细纤维形成无芯筒状物，通过调整工艺组合，可以改变纤维直径和密度，从而得到各种不同过滤性能的滤芯产品。活性炭自二十世纪初即被发现可用来做为水处理用。它是一个具多孔状组织的碳，这些孔就是用来增加活性炭吸附杂质的表面积。碳化物质的物性与它的原材料和处理过程的好坏有极大的关系。活性炭是靠表面多孔状组织吸附化学物质、有机污染源、异色异味等。一般而言，体积越小的活性炭，其总体表面积会越大，吸附能力也就会越高，但其管路的压损也会越高。当自来水流量较大时，活性炭过滤材料的吸附能力非常有限，不能有效的去除自来水中的余氯及重金属等。当活性炭过滤材料的吸附能力达到饱和后，必须更换活性炭过滤芯，否则就无法起到过滤作用，而频繁更换活性炭过滤芯，将给用户带来不便，并增加使用成本。同时，PP棉滤芯和普通的活性炭过滤材料均不能抑制细菌的滋生，所述两级滤芯长时间不更换，反而会造成二次污染，细菌呈几何倍数增加。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯PP棉复合滤芯及其制备方法和应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层、疏松结构层；所述紧密结构层、疏松结构层均采用石墨烯PP棉复合材料制备。
所述紧密结构层、疏松结构层的厚度分别为1‐3μm、8‐10μm；所述复合滤芯的厚度为1.5cm‐2cm。
优选地，所述紧密结构层的密度为0.3g/cm3-0.35g/cm3，所述疏松结构层的密度为0.15g/cm3-0.20g/cm3。
优选地，所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构，所述突起结构延复合滤芯的高度方向延伸。
优选地，所述突起结构之间的间距为0.5-1cm。
更优选地，所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状第二突起结构，所述第二突起结构延复合滤芯的高度方向延伸，且第二突起结构与突起结构交叉形成网格状。所述第二突起结构之间的间距为0.5-1cm。
优选地，所述复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且曲面方向一致。
优选地，所述各紧密结构层、疏松结构层均为网格状，且各紧密结构层、疏松结构层的网格位置不重叠。
优选地，所述石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液；
B、向石墨烯分散液中加入有机改性单体，高速搅拌反应后制得接枝改性氧化石墨烯，干燥粉碎，得接枝改性氧化石墨烯粉末；
C、将接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
优选地，步骤B中，所述有机改性单体为十二烷基硫酸钠；所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200-350r/min，搅拌时间为1-3h。
优选地，步骤C中，所述接枝改性氧化石墨烯粉末的粒径为5-10um，PP棉的粒径为20-200μm；接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为2％-8％:92％-98％；
所述挤出温度为200-280℃。
本发明还提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
A、将石墨烯PP棉复合材料进行熔融混合；
B、将熔融混合后的石墨烯PP棉复合材料装入喷丝机进行喷丝；第一次喷丝时，滤芯内筒按照一定速率自传，同时滤芯内筒由左向右移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状；
C、继续第二次喷丝，同时滤芯内筒由右向左移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状，且与第一次的喷丝存在交叉点；
D、重复上述步骤B和C，直到喷丝全部覆盖滤芯内筒的外侧，即制得第一层的紧密结构层；
E、重复步骤B-D,在第一层的紧密结构层上制得第一层的疏松结构层；然后再重复步骤依次制得多层的紧密结构层和疏松结构层，即得所述石墨烯PP棉复合滤芯；
所述制备紧密结构层时，采用的熔喷速率为1.5*10-7L/min-2*10-7L/min,疏松层时熔喷速率为1.0*10-7L/min-1.2*10-7L/min。
本发明还提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯在净水设备中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明制备的石墨烯PP棉复合滤芯的过滤精度可达1μm，滤芯在卷曲过程中，在每层中丝线呈螺旋回路状，按照紧密‐疏松‐紧密‐疏松的层次分布，呈现鹰翼结构，这样结构的效果，在水流进入PP棉时在滤芯内呈现往返回流的现象，使得水流对PP棉呈现出来回冲洗的目的，净化效果更加明显。
同时，水流进入石墨烯PP棉复合滤芯时，由于石墨烯PP棉滤芯是按照紧密‐疏松‐紧密‐疏松的结构设置，水流经过石墨烯PP棉时，由于复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构，使得从不同网格出来的水流互相碰撞，从而呈现水路爆点的现象，即水流相遇的点有爆流现象，水流不断在滤芯中呈现回流状态，过滤效果更加充分。
本发明的石墨烯PP棉复合滤芯可对原水进行初过滤，可有效滤除原水中的泥沙、杂质、胶体、悬浮物等，使原水得到初步的净化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1的石墨烯PP棉复合滤芯结构示意图；
图2为本发明实施例2的石墨烯PP棉复合滤芯结构示意图；
其中：1-紧密结构层；2-疏松结构层；3-突起结构；4-第二突起结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，如图1所示，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层1、疏松结构层2；所述紧密结构层1、疏松结构层2均采用石墨烯PP棉复合材料制备。
所述紧密结构层1、疏松结构层2的厚度分别为1μm、10μm；所述复合滤芯的厚度为1.5cm。
所述紧密结构层1的密度为0.3g/cm3-0.35g/cm3，所述疏松结构层2的密度为0.15g/cm3-0.20g/cm3。
所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构3，所述突起结构3延复合滤芯的高度方向延伸。
所述突起结构3之间的间距为0.5cm。
所述复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且曲面方向一致。
所述各紧密结构层、疏松结构层均为网格状，且各紧密结构层、疏松结构层的网格位置不重叠。
所述石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液；
B、向石墨烯分散液中加入有机改性单体，高速搅拌反应后制得接枝改性氧化石墨烯，干燥粉碎，得接枝改性氧化石墨烯粉末；
C、将接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
步骤B中，所述有机改性单体为十二烷基硫酸钠；所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200-350r/min，搅拌时间为1-3h。
步骤C中，所述接枝改性氧化石墨烯粉末的粒径为5um，PP棉的粒径为20μm；接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为2％:98％；
所述挤出温度为200-280℃。
所述石墨烯PP棉复合滤芯的制备方法包括以下步骤：
A、将石墨烯PP棉复合材料进行熔融混合；
B、将熔融混合后的石墨烯PP棉复合材料装入喷丝机进行喷丝；第一次喷丝时，滤芯内筒按照一定速率自传，同时滤芯内筒由左向右移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状；
C、继续第二次喷丝，同时滤芯内筒由右向左移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状，且与第一次的喷丝存在交叉点；
D、重复上述步骤B和C，直到喷丝全部覆盖滤芯内筒的外侧，即制得第一层的紧密结构层；
E、重复步骤B-D,在第一层的紧密结构层上制得第一层的疏松结构层；然后再重复步骤依次制得多层的紧密结构层和疏松结构层，即得所述石墨烯PP棉复合滤芯；
所述制备紧密结构层时，采用的熔喷速率为1.5*10-7L/min-2*10-7L/min,疏松层时熔喷速率为1.0*10-7L/min-1.2*10-7L/min。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，如图2所示，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层1、疏松结构层2；所述紧密结构层1、疏松结构层2均采用石墨烯PP棉复合材料制备。
所述紧密结构层1、疏松结构层2的厚度分别为3μm、10μm；所述复合滤芯的厚度为1.5cm。
所述紧密结构层1的密度为0.3g/cm3-0.35g/cm3，所述疏松结构层2的密度为0.15g/cm3-0.20g/cm3。
所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构3，所述突起结构3延复合滤芯的高度方向延伸。
所述突起结构3之间的间距为0.8cm。
所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状第二突起结构4，所述第二突起结构4延复合滤芯的高度方向延伸，且第二突起结构4与突起结构3交叉形成网格状。所述第二突起结构4之间的间距为0.8cm。
所述复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且曲面方向一致。
所述各紧密结构层、疏松结构层均为网格状，且各紧密结构层、疏松结构层的网格位置不重叠。
所述石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液；
B、向石墨烯分散液中加入有机改性单体，高速搅拌反应后制得接枝改性氧化石墨烯，干燥粉碎，得接枝改性氧化石墨烯粉末；
C、将接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
步骤B中，所述有机改性单体为十二烷基硫酸钠；所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200-350r/min，搅拌时间为1-3h。
步骤C中，所述接枝改性氧化石墨烯粉末的粒径为8um，PP棉的粒径为200μm；接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为5％:95％；
所述挤出温度为200-280℃。
所述石墨烯PP棉复合滤芯的制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，如图2所示，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层、疏松结构层；所述紧密结构层、疏松结构层均采用石墨烯PP棉复合材料制备。
所述紧密结构层、疏松结构层的厚度分别为2μm、8μm；所述复合滤芯的厚度为2cm。
所述紧密结构层的密度为0.3g/cm3-0.35g/cm3，所述疏松结构层的密度为0.15g/cm3-0.20g/cm3。
所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构，所述突起结构延复合滤芯的高度方向延伸。
所述突起结构之间的间距为1cm。
所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状第二突起结构，所述第二突起结构延复合滤芯的高度方向延伸，且第二突起结构与突起结构交叉形成网格状。所述第二突起结构之间的间距为1cm。
所述复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且曲面方向一致。
所述各紧密结构层、疏松结构层均为网格状，且各紧密结构层、疏松结构层的网格位置不重叠。
所述石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液；
B、向石墨烯分散液中加入有机改性单体，高速搅拌反应后制得接枝改性氧化石墨烯，干燥粉碎，得接枝改性氧化石墨烯粉末；
C、将接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
步骤B中，所述有机改性单体为十二烷基硫酸钠；所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200-350r/min，搅拌时间为1-3h。
步骤C中，所述接枝改性氧化石墨烯粉末的粒径为10um，PP棉的粒径为100μm；接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为8％:92％；
所述挤出温度为200-280℃。
所述石墨烯PP棉复合滤芯的制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种PP棉滤芯，与实施例1的结构完全相同，不同之处仅在于：所述的紧密结构层、疏松结构层仅采用PP棉制备。
对比例2
本对比例提供了一种石墨烯PP棉复合棉滤芯，与实施例1的结构基本相同，不同之处仅在于：所述复合滤芯的外侧表面无螺旋状突起结构。
对比例3
本对比例提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，与实施例1的结构基本相同，不同之处仅在于：所述复合滤芯的内表面、外侧表面无曲面结构，为平面。
对比例4
本对比例提供了一种石墨烯PP棉复合滤芯，与实施例1的结构相同，不同之处仅在于：所述复合滤芯采用的石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液，然后干燥粉碎，得氧化石墨烯粉末；
B、将氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
步骤B中，所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200r/min-350r/min，搅拌时间为1-3h。
步骤C中，所述氧化石墨烯粉末的粒径为5um，PP棉的粒径为20μm；氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为2％:98％；
所述挤出温度为200-280℃。
效果验证：
将以上实施例制得的石墨烯改性活性炭复合滤芯对原水进行过滤，过滤结果如表1所示。
表1
杂质去除率 胶体去除率 悬浮物去除率 除菌率 使用寿命
实施例1 65％ 60％ 50％ 96.6％ 4.0
实施例2 60％ 55％ 56％ 96.7％ 5.0
实施例3 75％ 60％ 65％ 96.8％ 6.0
对比例1 50％ 40％ 48％ 90％ 3.5
对比例2 55％ 45％ 52％ 91％ 4.2
对比例3 55％ 48％ 50％ 85％ 4.0
对比例4 60％ 50％ 45％ 92％ 4.5
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述复合滤芯为中空圆柱结构，从内到外依次交替设置有紧密结构层、疏松结构层；所述紧密结构层、疏松结构层均采用石墨烯PP棉复合材料制备。
2.根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述紧密结构层、疏松结构层的厚度分别为1‐3μm、8‐10μm；所述复合滤芯的厚度为1.5cm‐2cm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述紧密结构层的密度为0.3g/cm3-0.35g/cm3，所述疏松结构层的密度为0.15g/cm3-0.20g/cm3。
4.根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述复合滤芯的外侧表面平行设置多根螺旋状突起结构，所述突起结构延复合滤芯的高度方向延伸；
所述突起结构之间的间距为0.5-1cm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述复合滤芯的内表面和外表面均为曲面，且曲面方向一致；
所述各紧密结构层、疏松结构层均为网格状，且各紧密结构层、疏松结构层的网格位置不重叠。
6.根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，所述石墨烯PP棉复合材料的制备方法如下：
A、将氧化石墨烯超声分散到水中，得到氧化石墨烯分散液；
B、向石墨烯分散液中加入有机改性单体，高速搅拌反应后制得接枝改性氧化石墨烯，干燥粉碎，得接枝改性氧化石墨烯粉末；
C、将接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末混合，同时加入粘结剂、抗氧化剂、成核剂、降温助剂，制得的混合物经挤出、牵伸、表面风干、切粒后即得。
7.根据权利要求6所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，步骤B中，所述有机改性单体为十二烷基硫酸钠；所述高速搅拌的温度为50-95℃，搅拌转速为200-350r/min，搅拌时间为1-3h。
8.根据权利要求6所述的石墨烯PP棉复合滤芯，其特征在于，步骤C中，所述接枝改性氧化石墨烯粉末的粒径为5-10um，PP棉的粒径为20-200μm；接枝改性氧化石墨烯粉末与PP棉粉末的混合比例为2％-8％:92％-98％；
所述挤出温度为200-280℃。
9.一种根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将石墨烯PP棉复合材料进行熔融混合；
B、将熔融混合后的石墨烯PP棉复合材料装入喷丝机进行喷丝；第一次喷丝时，滤芯内筒按照一定速率自传，同时滤芯内筒由左向右移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状；
C、继续第二次喷丝，同时滤芯内筒由右向左移动，使得喷丝在滤芯内筒上呈现螺旋状，且与第一次的喷丝存在交叉点；
D、重复上述步骤B和C，直到喷丝全部覆盖滤芯内筒的外侧，即制得第一层的紧密结构层；
E、重复步骤B-D,在第一层的紧密结构层上制得第一层的疏松结构层；然后再重复步骤依次制得多层的紧密结构层和疏松结构层，即得所述石墨烯PP棉复合滤芯；
所述制备紧密结构层时，采用的熔喷速率为1.5*10-7L/min-2*10-7L/min,疏松层时熔喷速率为1.0*10-7L/min-1.2*10-7L/min。
10.一种根据权利要求1所述的石墨烯PP棉复合滤芯在净水设备中的应用。
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