一种除重金属添加剂和除重金属炭棒以及制备方法与流程

1.本发明涉及净水器滤芯技术领域，且特别涉及一种除重金属添加剂和除重金属炭棒以及制备方法。


背景技术：

2.自来水体中由于输水管道腐蚀所析出的重金属元素会造成水体中重金属污染。其中，对人体影响最严重的重金属主要为铅、汞、镉、砷。对于水体中的重金属元素，主要使用膜分离法、离子交换法、微生物法和吸附法等进行去除，而家用净水领域主要采用ro机利用反渗透原理对水体中的重金属元素进行脱除。但是，ro机存在耗水量高、需要插电、增压泵噪声大、停机正渗透产生隔夜水、对小分子有机物吸附效果差等缺点。
3.活性炭棒相对ro膜而言成本低，且具有极高的比表面积和对有机物的高吸附效率。但其对重金属去除效果不如ro膜，故现阶段市面上功能炭棒均有添加除重金属添加剂。现有的大多数常见的除重金属添加剂粒径细，与活性炭的目数不匹配，强度差且易碎，使得这类除重金属添加剂只能应用于成本较高的烧结炭棒领域。如能开发一种粒径可调，强度好，可适用于挤出除重金属炭棒的除重金属添加剂，对于降低生产成本和提升挤出除重金属炭棒的品质具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种除重金属添加剂，该除重金属添加剂具有较高的比表面积和较好的强度，可用于挤出成型工艺中以制备除重金属炭棒。
5.本发明的另一目的在于提供一种除重金属添加剂的制备方法，采用乳液模板法，通过调控乳液水油体积比进而可调控乳液微球的尺寸，从而可制得具有高比表面积和较好的强度，且微球粒径可调控的除重金属添加剂。
6.本发明的第三个目的在于提供一种除重金属炭棒，该除重金属炭棒可用于去除水体中铅、汞、砷等重金属，具有较好的去除效果和较高的流量。
7.本发明的第四个目的在于提供一种除重金属炭棒的制备方法，通过将除重金属添加剂用于挤出炭棒成型工艺中，可制备得到除重金属炭棒，该方法简单、易于成型且参数可控，适用于工业化大规模生产。
8.本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
9.本发明提出一种除重金属添加剂的制备方法，包括以下步骤：
10.s1、除重金属活性颗粒和去离子水混合后，加入亲水性纤维和表面活性剂，搅拌，得到水相分散液，所述除重金属活性颗粒选自二氧化钛、活性氧化铝、沸石分子筛、纳米氧化锌、纳米铁、三氧化二铁、氯化铁中的两种；
11.s2、将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液；
12.s3、所述水相分散液和所述油相分散液混合后，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液；
13.s4、将所述水包油型乳液在水浴条件下进行聚合反应后，冷冻干燥、研磨、过筛，得到除重金属添加剂。
14.本发明提出一种除重金属添加剂，其根据上述的制备方法制得。
15.本发明还提出了一种除重金属炭棒，按照重量份数计，包括活性炭粉50～70份、粘接剂25～30份以及所述的除重金属添加剂5～20份。
16.本发明还提出了一种除重金属炭棒的制备方法，包括以下步骤：
17.按所述的除重金属炭棒的重量份数分别称取所述活性炭粉、所述粘接剂和所述除重金属添加剂，接着将所述活性炭粉和所述除重金属添加剂预混合，然后加入粘接剂混合，挤出成型、切割，得到除重金属炭棒。
18.本发明实施例的除重金属添加剂和除重金属炭棒以及制备方法的有益效果是：
19.本发明以除重金属活性颗粒、亲水性纤维和表面活性剂混合溶液作为水相分散剂，以溶解引发剂的苯乙烯单体作为油相分散液，采用乳液模板法并通过调控乳液水油体积比从而可调控乳液微球的尺寸，得到具有高比表面积、微球粒径可调控的除重金属添加剂。该除重金属添加剂还具有较好的强度，将其用于挤出炭棒成型工艺中可制备得到强度好且流速高的除重金属炭棒。本发明的除重金属炭棒可以用于家用净水领域中以去除水中的铅、汞、砷等重金属，具有较好的去除效果。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
21.下面对本发明实施例的除重金属添加剂和除重金属炭棒以及制备方法进行具体说明。
22.本发明实施例提供的一种除重金属添加剂的制备方法，包括以下步骤：
23.s1、除重金属活性颗粒和去离子水混合后，加入亲水性纤维和表面活性剂，搅拌，得到水相分散液，所述除重金属活性颗粒选自二氧化钛、活性氧化铝、沸石分子筛、纳米氧化锌、纳米铁、三氧化二铁、氯化铁中的两种。
24.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述亲水性纤维选自羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素、纤维素纳米晶须、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。
25.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述表面活性剂选自单硬脂酸甘油酯、十二烷基硫酸钠、脂肪酸皂、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种。
26.进一步地，在本发明较佳实施例中，按重量份数计，所述水相分散液包括30-85份除重金属活性颗粒、10～20份亲水性纤维、5～15份表面活性剂。
27.s2、将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液。
28.s3、所述水相分散液和所述油相分散液混合后，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液。
29.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述水相分散液和所述油相分散液的体积比为2～5:1。
30.s4、将所述水包油型乳液在水浴条件下进行聚合反应后，冷冻干燥、研磨、过筛，得到除重金属添加剂。水包油型乳液聚合反应后，使用冷冻干燥机进行冷冻干燥以去除剩余溶剂，研磨分别使用200目和400目筛网筛除过粗和过细的颗粒，即可得到除重金属添加剂。
31.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述聚合反应的温度为60～80℃，反应时间为10～15h。
32.本发明使用乳液模板法，通过调控乳液水油体积比从而调控乳液微球尺寸，得到具有高比表面积、微球粒径可调控的除重金属添加剂。此外，该重金属添加剂还具有较好的强度，适用于挤出炭棒成型工艺中以制得除重金属炭棒，不仅可以降低生产成本，还能提升除重金属挤出炭棒的质量。
33.本发明还提供了一种除重金属添加剂，其根据上述的制备方法制得。
34.本发明还提供了一种除重金属炭棒，按照重量份数计，包括活性炭粉50～70份、粘接剂25～30份以及上述的除重金属添加剂5～20份。
35.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述活性炭粉选自椰壳活性炭粉、果壳活性炭粉、木制活性炭粉、煤制活性炭粉、竹制活性炭粉中的一种或几种。
36.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述活性炭粉的粒径选自60～140目、80～200目、80～325目、80～400目中一种或几种。
37.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述粘接剂选自超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯和聚偏氟乙烯中的至少一种。
38.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述除重金属炭棒的高为110～263mm，内径为10～30mm，外径为25～60mm，其克重为60～350g/pcs。
39.本发明还提供了一种除重金属炭棒的制备方法，包括以下步骤：
40.将所述活性炭粉和所述除重金属添加剂预混合，然后加入粘接剂混合，挤出成型、切割，得到除重金属炭棒。本发明的除重金属添加剂易于混入活性炭粉和粘接剂中，挤出成型后可得到具有不同铅、汞、砷等重金属去除效果的炭棒。此外，由于除重金属添加剂强度好，使得其在螺杆挤出时不会产生碎颗粒，因此添加该除重金属添加剂的除重金属炭棒还具有高流速，可用于家用净水领域。
41.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述预混合采用锥形搅拌装置，所述锥形搅拌装置的转速为150～200r/min，预混合时间为30～90min。加入粘接剂后锥形搅拌装置转速为100～150r/min，混合时间为10～30min。
42.进一步地，在本发明较佳实施例中，所述挤出成型的过程中，挤出包括三段温度，第一段温度为120～150℃，第二段温度为180～220℃，第三段温度为170～185℃。
43.进一步地，在本发明较佳实施例中，在挤出成型的过程中，螺杆的转速为200～400r/min。
44.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
45.实施例1
46.本实施例提供的一种除重金属炭棒，其根据以下方法制备得到：
47.(1)除重金属添加剂的制备：
48.(11)将二氧化钛、三氧化二铁和去离子水混合后，加入羧甲基纤维素和单硬脂酸甘油酯，搅拌，得到水相分散液。其中，按重量份数计，除重金属添加剂包括：二氧化钛60份、
三氧化二铁10份、羧甲基纤维素20份、单硬脂酸甘油酯10份。
49.(12)将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液。
50.(13)将水相分散液和油相分散液混合洪，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液。其中，水相分散液和油相分散液的体积比为3:1。
51.(14)将水包油型乳液在60℃的水浴条件下聚合10h，冷冻干燥、研磨、过筛，得到除重金属添加剂。
52.(2)除重金属炭棒的制备：
53.(21)分别称取椰壳活性炭粉、除重金属添加剂和超高分子量聚乙烯。其中，按重量份数计，包括椰壳活性炭粉60份、除重金属添加剂15份和超高分子量聚乙烯20份；椰壳活性炭粉的粒径为80～325目。
54.(22)将椰壳活性炭粉和除重金属添加剂在锥形搅拌装置中进行预混合，搅拌转速为200r/min，预混合时间为60min；接着加入超高分子量聚乙烯，搅拌转速为150r/min，混合时间为30min。然后进行挤出成型和切割，得到除重金属炭棒。其中，在挤出成型的过程中，挤出包括三段温度，第一段温度为130℃，第二段温度为190℃，第三段温度为170℃；螺杆的转速为300r/min。切割时根据规定尺寸切割成192mm长炭棒、克重为110g。
55.实施例2
56.本实施例中提供了一种除重金属炭棒，其与实施例1的区别在于：
57.(1)除重金属添加剂的制备：
58.(11)将二氧化钛、三氧化二铁和去离子水混合后，加入羧甲基纤维素和单硬脂酸甘油酯，搅拌，得到水相分散液。其中，按重量份数计，除重金属添加剂包括：二氧化钛50份、三氧化二铁20份、羧甲基纤维素20份、单硬脂酸甘油酯10份。
59.(12)将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液。
60.(13)将水相分散液和油相分散液混合洪，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液。其中，水相分散液和油相分散液的体积比为3:1。
61.(14)将水包油型乳液在60℃的水浴条件下聚合10h，冷冻干燥、研磨过筛，得到除重金属添加剂。
62.实施例3
63.本实施例中提供了一种除重金属炭棒，其与实施例1的区别在于：
64.(1)除重金属添加剂的制备：
65.(11)将二氧化钛、三氧化二铁和去离子水混合后，加入羧甲基纤维素和单硬脂酸甘油酯，搅拌，得到水相分散液。其中，按重量份数计，除重金属添加剂包括：二氧化钛45份、三氧化二铁25份、羧甲基纤维素20份、单硬脂酸甘油酯10份。
66.(12)将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液。
67.(13)将水相分散液和油相分散液混合洪，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液。其中，水相分散液和油相分散液的体积比为3:1。
68.(14)将水包油型乳液在60℃的水浴条件下聚合10h，冷冻干燥、研磨过筛，得到除重金属添加剂。
69.实施例4
70.本实施例中提供了一种除重金属炭棒，其与实施例1的区别在于：
71.(1)除重金属添加剂的制备：
72.(11)将二氧化钛、三氧化二铁和去离子水混合后，加入羧甲基纤维素和单硬脂酸甘油酯，搅拌，得到水相分散液。其中，按重量份数计，除重金属添加剂包括：二氧化钛45份、三氧化二铁25份、羧甲基纤维素20份、单硬脂酸甘油酯10份。
73.(12)将引发剂溶解在苯乙烯单体中，得到油相分散液。
74.(13)将水相分散液和油相分散液混合洪，超声震荡25～35min，得到水包油型乳液。其中，水相分散液和油相分散液的体积比为4:1。
75.(14)将水包油型乳液在60℃的水浴条件下聚合10h，冷冻干燥、研磨过筛，得到除重金属添加剂。
76.对比例1
77.本对比例提供一种炭棒，其根据以下步骤制备得到：
78.(1)分别称取椰壳活性炭粉和超高分子量聚乙烯。其中，按重量份数计，包括椰壳活性炭粉75份和超高分子量聚乙烯25份；椰壳活性炭粉的粒径为80～325目。
79.(2)将椰壳活性炭粉和超高分子量聚乙烯放入搅拌装置中混合，搅拌转速为150r/min，混合时间为30min。接着再进行挤出成型和切割，得到炭棒。其中，挤出成型的过程中，挤出包括三段温度，第一段温度为130℃，第二段温度为190℃，第三段温度为170℃；螺杆的转速为300r/min。切割时根据规定尺寸切割成192mm长炭棒、克重为110g。
80.对比例2
81.本对比例提供一种炭棒，其根据以下步骤制备得到：
82.(1)分别称取椰壳活性炭粉、超高分子量聚乙烯和二氧化钛类除重金属粉末。其中，按重量份数计，包括椰壳活性炭粉60份、超高分子量聚乙烯25份和二氧化钛类除重金属粉末15份；椰壳活性炭粉的粒径为80～325目。
83.(2)将椰壳活性炭粉和二氧化钛类除重金属粉末在锥形搅拌装置中进行预混合，搅拌转速为200r/min，预混合时间为60min；接着加入超高分子量聚乙烯，搅拌转速为150r/min，混合时间为30min。然后进行挤出成型和切割，得到炭棒。其中，在挤出成型的过程中，挤出包括三段温度，第一段温度为130℃，第二段温度为190℃，第三段温度为170℃；螺杆的转速为300r/min。切割时根据规定尺寸切割成192mm长炭棒、克重为110g。
84.试验例1
85.本试验例分别对实施例1～4的除重金属炭棒以及对比例1～2的炭棒的铅、汞、砷三种重金属的去除率进行检测，包括以下步骤：
86.在ph6.5条件下、铅加标浓度0.15mg/l、汞加标浓度6μg/l、五价砷加标浓度0.3mg/l。通水流速为2l/min，表1分别为通2t加标液后的重金属去除率和在30psi下的流速。
87.项目铅去除率％汞去除率％砷去除率％流速(l/min@30psi)实施例199.3％95.9％72％3.5实施例299.1％92.5％81.5％3.5实施例397.8％89.3％90.2％3.5实施例498.3％94.8％93.5％3.4对比例163.5％55.8％50.4％3.8对比例298.％86.5％75.3％1.0
88.从表1可以看出，除重金属添加剂中单一使用第一种除重金属颗粒，对铅和汞的去除效果较好，但对砷的去除效果有限。随着第二种除重金属颗粒比例的提高，砷的去除率明显增加，铅和汞的去除率依旧保持较高水平，故而两种除重金属颗粒质量比控制在2：1左右是较为理想的配比。随着水相分散液比例的提高，除重金属添加剂中有效颗粒的量提高，微球粒径减小，比表面积增大，故而实施例4的除重金属炭棒的除重金属效果好于实施例3。此外，与对比例2相比，本发明应用于挤出炭棒后的流速更高，主要原因是本发明中除重金属添加剂强度好，螺杆挤出时没有产生碎颗粒，从而使得炭棒流道不被过细的颗粒物堵塞，流速高。
89.以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。