CN111672205A - 一种活性炭基复合滤芯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体，该流道的两端分别为进水端和出水端，流道内安装有滤料，其特征在于：所述滤料从进水端往出水端方向依序包括第一过滤层、第二过滤层和第三过滤层，第一过滤层中的滤料为载银活性炭，第二过滤层中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层中的滤料为未改性的活性炭，以解决现有净水滤芯净水效果有限的问题。

Description

一种活性炭基复合滤芯
技术领域
本发明涉及净水滤芯领域，具体是涉及一种活性炭基复合滤芯。
背景技术
终端用水的品质关系到人们的健康。随着人们对水质要求的提高，对水处理技术也出了更高的要求，特别是针对随管网输送产生的终端用水二次污染问题。而终端净水技术是可以解决上述问题的重要途径之一。在终端净水技术中，较常用的活性炭吸附法，它可通过吸附、催化等方式去除水中的多种污染物，实现终端用水的深度净化，保障了用水安全。
不同的污染物分子具有不同的分子结构与尺寸，其与活性炭的孔道结构和表面化学性质的匹配程度越高，被吸附效能越理想。例如，重金属离子尺寸较小，从理论上微孔活性炭对其吸附效果比较理想。但活性炭表面大部分的疏水性质，导致其吸附效能不理想。部分含氧负离子形态的重金属离子与活性炭表面负电荷产生静电排斥，容易达到饱和造成二次释放污染；残留消毒剂及消毒副产物分子较小，微孔活性炭对其吸附效能较理想。针对新兴有机污染物而言，其分子尺寸通常较大，微孔活性炭的吸附容量往往不理想。活性炭对致病微生物作用有限，反而可能因表面吸附的有机物导致微生物滋生的问题。综上，针对水中存在的多种问题，通过一种类型的活性炭无法实现良好的深度净化效果；此外，活性炭对污染物分子仅为吸附、拦截和富集，大多数吸附的污染物无法被降解或转化，导致潜在的二次释放风险。
因此，有些反感提出以活性炭为基础，通过有机组合不同类型活性炭的优势，协同吸附和转化或降解彻底去除水中的污染物实现降低二次释放风险的目的。如公开号为CN108585068A的专利公开了一种活性炭棒的制作方法，即包括活性炭、镁卟啉化合物(天然防臭剂)、纳米膨润土、钙基胶岭石、钠基胶岭石(细菌抑制剂)等。公开号为CN107158805A的专利公开了以活性炭、高岭土、硅藻泥、铝矾土、氧化镁、钙基膨润土、粘结剂、解凝、有机造孔剂、无机造孔、纳米交换剂为原材料，采用注浆成型工艺制备了负载活性炭、造孔剂和纳米交换剂的多功能复合陶瓷滤芯。公开号为CN108722015A的专利公开了一种通过复合多孔炭、接枝型两性壳聚糖和改性二氧化钛的滤芯方案。目前，在制备滤芯时加入不同的净水材料，种类繁多，每种材料的安全性在使用中较难溯源，且混合的均匀性也会影响滤芯的性能。
此外，在净水产品中，活性炭直接填充是一种常用的滤芯制作方式，填充方式制备的滤芯制作简易，使用时水通量大且无需增压泵，不产生废水。但由于前部分叙述的短板，在流速较高的情况下，污染物分子与活性炭之间的接触时间不足导致去除效果不达标。
发明内容
本发明旨在提供一种活性炭基复合滤芯，以解决现有净水滤芯净水效果有限的问题。
具体方案如下：
一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体，该流道的两端分别为进水端和出水端，流道内安装有滤料，所述滤料从进水端往出水端方向依序包括第一过滤层、第二过滤层和第三过滤层，第一过滤层中的滤料为载银活性炭，第二过滤层中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层中的滤料为未改性的活性炭。
优选的，所述载银活性炭的粒径为8-20目，所述载石墨烯活性炭的粒径为20-40目，未改性的活性炭的粒径为8-40目。
优选的，所述滤料中载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为3～8：1～6：1。
优选的，所述第一过滤层是由载银活性炭制成的第一炭块，第二过滤层是由载石墨烯活性炭制成的第二炭块。
优选的，所述第一炭块的厚度为5～10mm，第二炭块的厚度为5～10mm。
优选的，所述第一炭块的制备方法如下，
S11、配制载银活性炭浆液，载银活性炭浆液由无机粘接剂和载银活性炭组成；
S21、将块状滤芯模具放入载银活性炭浆液中，制成载银活性炭块状滤芯；
S31、将经由步骤S21处理的载银活性炭块状滤芯干燥，以使载银活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第一炭块。
优选的，所述第二炭块的制备方法如下：
S12、配制载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成；
S22、将块状滤芯模具放入载石墨烯活性炭浆液中，制成载石墨烯活性炭块状滤芯；
S32、将经由步骤S22处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第二炭块。
优选的，所述第一过滤层和第二过滤层为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；第三过滤层位于滤芯壳体的出水端处，滤芯壳体内具有对应第一过滤层和第二过滤层连接处的隔板，该隔板的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔。
优选的，滤棒的制备方法如下：
S13、配制载石墨烯活性炭浆液和载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成；
S23、将棒状滤芯模具的一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的其一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层；
S33、将棒状滤芯模具的另一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的另一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层；
S43、将经由步骤S33处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除棒状滤芯模具，并在两端安装堵头即制得滤棒。
优选的，所述第一过滤层和第二过滤层为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；该滤棒沿滤芯壳体的轴向设置，且滤芯壳体内具有对应第一过滤层和第二过滤层连接处的隔板，该隔板的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔，并且将滤棒的外壁与滤芯壳体的内壁之间分割出相互隔离的第一空腔和第二空腔，其中第一空腔靠近进水端，第二空腔靠近出水端，第一空腔内填充第四过滤层、第二空腔填充第三过滤层，所述第四过滤层中的滤料为未改性的活性炭。
本发明提供的活性炭基复合滤芯与现有技术相比较具有以下优点：本发明提供的活性炭基复合滤芯有机组合了改性和未改性的活性炭，协同颗粒填充与成型的优势，灵活地满足不同净水技术和使用要求。其中，改性的载银活性炭和载石墨烯活性炭，可提高净水效率，同时吸附和转化重金属离子、降解有机物并抑制微生物生长。
附图说明
图1示出了实施例1中的活性炭基复合滤芯的示意图。
图2示出了1#复合滤芯去除铅离子的实验数据表格图。
图3示出了2#复合滤芯去除铅离子的实验数据表格图。
图4示出了3#复合滤芯去除铅离子的实验数据表格图。
图5示出了4#复合滤芯去除铅离子的实验数据表格图。
图6示出了实施例2中的活性炭基复合滤芯的示意图。
图7示出了实施例3中的活性炭基复合滤芯的示意图。
图8示出了实施例4中的活性炭基复合滤芯的示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示的，本实施例提供了一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体1，该流道的两端分别为进水端11和出水端12，流道内安装有滤料。
其中，滤料从进水端11往出水端12方向依序包括第一过滤层21、第二过滤层22和第三过滤层23，第一过滤层21中的滤料为载银活性炭，第二过滤层22中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层23中的滤料为未改性的活性炭。
其中，第一过滤层21中的载银活性炭是在载纳米零价铁活性炭的基础上采用原位还原而制得，原位还原的方程式为2Ag++Fe0＝2Ag+Fe2+。在原位还原过程中不需要加任何还原剂，因此不会引入其它物质，可保证该活性炭的安全性。其中载银活性炭的粒径优选为8-20目，其作用是转化重金属离子或降解部分有机物(例如含氯挥发性有机物)，将其转化低毒或无毒的无机物和/或小分子有机物，并且可以抑制活性炭表面的微生物生长，以提高微生物安全性。
第二过滤层22中的载石墨烯活性炭是将酸化后的活性炭加入氧化石墨烯水溶液中改性而得，其通过活性炭和石墨烯之间的相互吸附和络合作用，降低石墨烯自身的堆垛，同时协同提升活性炭自身的吸附性能。其中，载石墨烯活性炭的粒径优选为20-40目。该第二过滤层22的作用是快速吸附第一过滤层21未吸附和降解的小分子有机物，同时提高活性炭的吸附容量，延长使用时间，同时可以吸附第一过滤层21中释放的银离子，降低上层活性炭可能带来的健康风险。
第三过滤层23中的滤料为未改性的活性炭，其可以进一步过滤水中的颗粒物，确保出水的洁净，同时还可以改善水的口感，未改性的活性炭的粒径优选为8-40目。
本实施例提供的活性炭基复合滤芯有机组合了改性和未改性的活性炭，协同颗粒填充与成型的优势，灵活地满足不同净水技术和使用要求。其中，改性的载银活性炭和载石墨烯活性炭，可提高净水效率，同时吸附和转化重金属离子、降解有机物并抑制微生物生长。
参考图1，本实施例以净水壶为例来进行该活性炭基复合滤芯的性能验证。其中，滤芯壳体1为聚丙烯材质，并在流道内安装两层滤网13，以在滤芯壳体1内分隔出三个空间，三个空间从进水端11往出水端12方向分别填充载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭。进水端上安装有一层PP棉14，实现进水初滤的目的。
本实施例中制备了4个复合滤芯，分别定义为1#滤芯、2#滤芯、3#滤芯和4#滤芯，其中，1#滤芯中载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为8：1：1；2#滤芯中载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为5：4：1；3#滤芯中载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为3：6：1；4#滤芯中银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为0：0：10。
性能测试采用铅离子连续加标实验方法，实验装置为自动化控制，自动记录流速和出水流量。加标装置中配制溶液采用稀释法，在不同流量条件下取样。本实施例以铅离子为加标物，采用全程加标的方式，加标液中铅离子的初始浓度为100μg/L，pH为6.50左右，测试流速为0.45mL/min左右，通水量为1000L。加标实验分别在0L、10L、50L、100L、200L、400L、600L、800L和1000L取样，取样时分别取空白样和过滤样品，各取两个平行样。每次分别取样10mL，经0.22μm膜过滤，滴入0.1M的硝酸混匀保存，上ICP-MS测试。
具体的结果如图2-图5所示。结果表明，在上述测试条件下，1#复合滤芯可去除90％以上的铅离子、2#复合滤芯可去除70％以上的铅离子、3#复合滤芯可去除60％以上的铅离子。其对铅离子的去除率都明显优于未改性的活性炭的铅离子去除率。此外，载银活性炭的比例越大其对铅离子的去除率也越好，证明了载银活性炭转化重金属离子的效果，而且随着水通量增大，铅离子的去除效率降低不明显，而为改性的活性炭对其铅离子的去除效率降低的程度较大。
实施例2
参考图6，本实施例也提供了一种活性炭基复合滤芯，其结构与实施例1所提供的活性炭基复合滤芯结构大致相同，其差别在于，第一过滤层21是由载银活性炭制成的第一炭块，第二过滤层22是由载石墨烯活性炭制成的第二炭块。相对于实施例1中颗粒状的载银活性炭和颗粒状的载石墨烯活性炭，块状的载银活性炭和块状的载石墨烯活性炭可以无需滤网直接放置于滤芯壳体1中，并可通过调整使用比例灵活地使用于不同的场景。
进一步的，第一炭块的厚度为5～10mm，第二炭块的厚度为5～10mm。
其中，第一炭块的制备方法如下，
S11、配制载银活性炭浆液，载银活性炭浆液由无机粘接剂和载银活性炭组成。
S21、将块状滤芯模具放入载银活性炭浆液中，制成载银活性炭块状滤芯。
S31、将经由步骤S21处理的载银活性炭块状滤芯干燥，以使载银活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第一炭块。
第二炭块的制备方法如下：
S12、配制载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成。
S22、将块状滤芯模具放入载石墨烯活性炭浆液中，制成载石墨烯活性炭块状滤芯。
S32、将经由步骤S22处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第二炭块。
实施例3
参考图7，本实施例也提供了一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体1，该流道的两端分别为进水端11和出水端12，流道内安装有滤料。
其中，滤料从进水端11往出水端12方向依序包括第一过滤层21、第二过滤层22和第三过滤层23，第一过滤层21中的滤料为载银活性炭，第二过滤层22中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层23中的滤料为未改性的活性炭。
第一过滤层21和第二过滤层22为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；第三过滤层23位于滤芯壳体1的出水端12处，滤芯壳体1内具有对应第一过滤层21和第二过滤层22连接处的隔板15，该隔板15的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔，该活性炭基复合滤芯的水流方向如图7中箭头方向所示。相对于实施例1或实施例2中的活性炭基复合滤芯，本实施例中的活性炭基复合滤芯的第一过滤层21和第二过滤层22从侧壁方向进出水，在小内径的过滤场合下能够具有更好的过滤效果。
一体成型的中空柱状的滤棒的制备方法如下：
S13、配制载石墨烯活性炭浆液和载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成。
S23、将棒状滤芯模具的一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的其一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层。
S33、将棒状滤芯模具的另一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的另一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层。
S43、将经由步骤S33处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除棒状滤芯模具，并在两端安装堵头即制得滤棒。
实施例4
参考图8，本实施例也提供了一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体1，该流道的两端分别为进水端11和出水端12，流道内安装有滤料。
其中，滤料从进水端11往出水端12方向依序包括第四过滤层24、第一过滤层21、第二过滤层22和第三过滤层23，第一过滤层21中的滤料为载银活性炭，第二过滤层22中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层23和第四过滤层24中的滤料均为未改性的活性炭。
第一过滤层21和第二过滤层22为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；该滤棒沿滤芯壳体1的轴向设置，且滤芯壳体1内具有对应第一过滤层21和第二过滤层22连接处的隔板15，该隔板15的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔，并且将滤棒的外壁与滤芯壳体1的内壁之间分割出相互隔离的第一空腔和第二空腔，其中第一空腔靠近进水端，第二空腔靠近出水端，第一空腔内填充第四过滤层24、第二空腔填充第三过滤层23，该活性炭基复合滤芯的水流方向如图8中箭头方向所示。
本实施例中的活性炭基复合滤芯的第一过滤层21和第二过滤层22从侧壁方向进出水，在小内径的过滤场合下能够具有更好的过滤效果。
此外，该滤棒的制备方法与实施例3中的滤棒的制备方法相同，在此不再进行赘述。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种活性炭基复合滤芯，包括具有一流道的滤芯壳体，该流道的两端分别为进水端和出水端，流道内安装有滤料，其特征在于：所述滤料从进水端往出水端方向依序包括第一过滤层、第二过滤层和第三过滤层，第一过滤层中的滤料为载银活性炭，第二过滤层中的滤料为载石墨烯活性炭，第三过滤层中的滤料为未改性的活性炭。
2.根据权利要求1所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述载银活性炭的粒径为8-20目，所述载石墨烯活性炭的粒径为20-40目，未改性的活性炭的粒径为8-40目。
3.根据权利要求1所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述滤料中载银活性炭、载石墨烯活性炭和未改性的活性炭的体积比为3～8：1～6：1。
4.根据权利要求1所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述第一过滤层是由载银活性炭制成的第一炭块，第二过滤层是由载石墨烯活性炭制成的第二炭块。
5.根据权利要求4所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述第一炭块的厚度为5～10mm，第二炭块的厚度为5～10mm。
6.根据权利要求4所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于，所述第一炭块的制备方法如下，
S11、配制载银活性炭浆液，载银活性炭浆液由无机粘接剂和载银活性炭组成；
S21、将块状滤芯模具放入载银活性炭浆液中，制成载银活性炭块状滤芯；
S31、将经由步骤S21处理的载银活性炭块状滤芯干燥，以使载银活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第一炭块。
7.根据权利要求4所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于，所述第二炭块的制备方法如下：
S12、配制载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成；
S22、将块状滤芯模具放入载石墨烯活性炭浆液中，制成载石墨烯活性炭块状滤芯；
S32、将经由步骤S22处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除块状滤芯模具即制得第二炭块。
8.根据权利要求1所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述第一过滤层和第二过滤层为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；第三过滤层位于滤芯壳体的出水端处，滤芯壳体内具有对应第一过滤层和第二过滤层连接处的隔板，该隔板的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔。
9.根据权利要求8所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于，滤棒的制备方法如下：
S13、配制载石墨烯活性炭浆液和载石墨烯活性炭浆液，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成，载石墨烯活性炭浆液由无机粘接剂和载石墨烯活性炭组成；
S23、将棒状滤芯模具的一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的其一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层；
S33、将棒状滤芯模具的另一段放入载石墨烯活性炭浆液或者载石墨烯活性炭浆液的另一中，并以一定的转速在相应的活性炭浆液转动，使相应的活性炭浆液吸附于棒状滤芯模具的表面上，并预干燥以制得一定厚度的相应的活性炭层；
S43、将经由步骤S33处理的载石墨烯活性炭块状滤芯干燥，以使载石墨烯活性炭块状滤芯干燥成型，成型后去除棒状滤芯模具，并在两端安装堵头即制得滤棒。
10.根据权利要求1所述的活性炭基复合滤芯，其特征在于：所述第一过滤层和第二过滤层为一体成型的中空柱状的滤棒，该滤棒相对的两端封闭设置；该滤棒沿滤芯壳体的轴向设置，且滤芯壳体内具有对应第一过滤层和第二过滤层连接处的隔板，该隔板的中部具有与滤棒相匹配设置的安装孔，并且将滤棒的外壁与滤芯壳体的内壁之间分割出相互隔离的第一空腔和第二空腔，其中第一空腔靠近进水端，第二空腔靠近出水端，第一空腔内填充第四过滤层、第二空腔填充第三过滤层，所述第四过滤层中的滤料为未改性的活性炭。
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