用于去除放射性物质的家庭用水滤器元件制造技术

本发明专利技术涉及一种通过去除例如重金属、细菌、挥发性有机化合物(VOC)，甚至放射性物质等污染物而用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件。本滤器元件包含活性炭、离子交换树脂(阳离子型和阴离子型)、生物聚合物和过渡金属氧化物。所述的生物聚合物和过渡金属氧化物两者都是颗粒形式的，并且所述的过渡金属氧化物颗粒可被纳入到生物聚合物颗粒，或作为独立的颗粒被直接纳入到本发明专利技术的滤器元件中。本发明专利技术的滤器元件的最大处理容量可高达150L家庭用水。通过本发明专利技术的滤器元件一些污染物可被去除达99％。本申请也公开了一种制备本发明专利技术的滤器元件的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件相关申请的交叉引用本申请要求2013年10月10日提交的美国临时专利申请系列号61/961,289的优先权，该优先权案的全部公开内容以引用方式并入本申请。
本专利技术涉及一种用于消毒、清洁和净化水的滤器元件。本专利技术特别关注饮用水的处理领域。
技术介绍
清洁的饮用水是人类的基本需求。然而，全球超过10亿人缺乏安全的饮用水。此外，发生在2011年3月11日的东日本大地震造成了东京电力公司(TEPCO)福岛第一核电站发生爆炸，导致大量放射性核元素释放到环境中(供水局(WSD)，健康服务局(HSB)，卫生、劳动和福利部(MHLW)，2011年)。爆炸发生后，放射性碘(131I)和铯(134Cs和137Cs)在饮用水中被检测到。因此，这给饮用水的安全性带来了极大的关注。市场上滤水壶的常规水滤器元件通常由活性炭和离子交换树脂组成，其只能去除水中的重金属和挥发性有机物(VOC)。由于2013年3月11日东日本大地震发生后水被放射性物质污染的高风险性，几个研究小组开始研究使用常规水滤器元件以去除污染水中的放射性物质。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于消毒、清洁和净化家用水的滤器元件，其不仅可以有效去除水中的放射性物质，还可以去除重金属、VOC和细菌。本专利技术要求保护的滤器元件包含生物聚合物颗粒、过渡金属氢氧化物或氧化物的颗粒，和一些常规的过滤组件如活性炭和离子交换树脂。纳入的生物聚合物颗粒为多糖，包括但不限于纤维素、淀粉、角叉菜胶、壳聚糖、甲壳质和藻酸盐、或其混合物，由于其正表面电荷或负表面电荷，所述生物聚合物颗粒使所要求保护的滤器元件具有抗菌性能和凝聚性能。此处所述凝聚是指吸引具有相反电荷物质的能力。这些生物聚合物广泛存在、经济、且无毒，使它们成为水滤器元件的合适候选物。过渡金属氢氧化物或氧化物物质由于其成本低、天然广泛存在和环保的特性已经被广泛应用于环境监测、修复和污染预防。这些纳米级的过渡金属氢氧化物或氧化物材料的特殊性质源于其价态丰富、表面积大和电子结构可变。举一个例子，氧化铁纳米材料已显示了可以从废水中成功去除有毒重金属离子和有机污染物。因此，具有极高重金属和VOC吸附能力的过渡金属氧化物纳米颗粒也被包括入本专利技术的滤器元件中，用于提高其水净化的性能。因此，本专利技术的第一个方面提供了一种过滤器介质，其包含所述的生物聚合物、过渡金属氢氧化物或氧化物、活性炭和离子交换树脂。离子交换树脂包括阳离子型和阴离子型离子交换树脂。离子交换树脂包括强酸性树脂(如，聚苯乙烯磺酸钠或polyAMPS)，弱酸性树脂(具有羧酸基团的聚丙烯酸聚合物)，强碱性树脂(如，聚(丙烯酰胺基-N-丙基三甲基氯化铵))，弱碱性树脂(如，聚乙烯胺)，或这些树脂的混合物。生物聚合物是颗粒形式并包括一种或多于一种通过交联具有水不溶性的生物聚合物。生物聚合物颗粒的尺寸范围为从1μm到100μm。交联的生物聚合物的例子包括壳聚糖和藻酸盐。此处用到的交联生物聚合物的交联剂的一个例子是钙化合物。过渡金属氢氧化物或氧化物包括羟基氧化铁(hydroxyironoxide,α-FeOOH)、氧化铁和氧化铜。过渡金属氢氧化物或氧化物也是颗粒形式，其被从10nm到10μm纳米化并具有如片状、球体和花状的三维分层结构。这些过渡金属氢氧化物或氧化物颗粒可以通过原位处理被纳入生物聚合物颗粒，形成生物聚合物-金属氧化物颗粒，和/或作为单独的颗粒被直接加入滤器元件。生物聚合物-金属氧化物颗粒的一个优选的实施方式是壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒。在一个实施方式中，本专利技术要求保护的滤器元件中活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型的离子交换树脂：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸钠(CHA)颗粒的重量比是0-30：35-45：15-20：15-20。在另一个实施方式中，活性炭：阳离子型离子交换树脂：阴离子型离子交换树脂：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒的重量比是25:41:17:17。除了过渡金属氢氧化物或氧化物，滤器元件还可以包含例如银、锌和铜等金属作为抗菌剂。本专利技术的第二个方面涉及一种本文所述滤器元件的制备方法。在一个典型的实施方式中，该方法包含以下步骤：(a)制备羟基氧化铁纳米颗粒；(b)将从(a)得到的所述羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖和藻酸盐的第一混合物中，然后搅拌直至形成大量的壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒；(c)将从(b)得到的所述CHA颗粒与活性炭、离子交换树脂混合，形成第二混合物；(d)将从(c)得到的所述第二混合物添加至一个过滤器外壳中以形成滤器元件；(e)用去离子水冲洗所述滤器元件直至滤液变澄清。在一个实施方式中，待纳入壳聚糖/藻酸盐混合物中形成CHA颗粒的羟基氧化铁纳米颗粒的制备是通过将硫酸亚铁(II)(FeSO4·H2O)溶解到体积比为7:1的水和甘油的混合物中，搅拌该混合物至少10分钟，随后将该混合物转移至高压灭菌锅中加热至约120℃，保持24小时，收集加热过夜后形成的沉淀，以水和甘油的另一混合物洗涤所述沉淀，60℃干燥该洗涤的沉淀；经过所述干燥后形成羟基氧化铁纳米颗粒。在另一个实施方式中，将羟基氧化铁纳米颗粒纳入壳聚糖/藻酸盐的混合物中以形成CHA颗粒的过程包括：在2wt.％的壳聚糖和0.5wt.％的藻酸钠的第一混合物中混合所述羟基氧化铁纳米颗粒，随后在搅拌条件下，将所述混合物逐滴地加入至0.5wt.％的氯化钙中，直至形成CHA颗粒。附图说明图1显示了羟基氧化铁(α-FeOOH)颗粒的花状或花状夹子的3D结构扫描电镜(SEM)图像。图2是描绘羟基氧化铁(α-FeOOH)颗粒制作过程的流程图。图3是描绘根据本专利技术一个实施方式的本专利技术的滤器元件制作过程的流程图。具体实施方式此处使用的术语“羟基氧化铁”可指“针铁矿”，其常以化学式α-FeOOH被用于所属
中。现将本专利技术当前的优选实施方式予以详细说明以解释专利技术的原理。对这些实施方式和实施例进行的详尽描述以使所属
的技术人员可以实施本专利技术，同时应当理解到也可采用其他实施方式，并且在不脱离本专利技术精神的条件下下可以进行变化。实施例实施例1：常规滤器和本专利技术的滤器对各种污染物的去除百分率的比较在这个实施例中，本专利技术要求保护的滤器重量为90g，其被配置以包含以下组分和重量比：活性炭(AC)：阳离子型离子交换树脂(IES)：阴离子型离子交换树脂(IES)：壳聚糖/羟基氧化铁/藻酸盐(CHA)颗粒＝25：41：17：17。为进行比较，使用的商业化水滤器，其重量也为90g，其中包含重量比为25：75的活性炭(AC)：离子交换树脂(IES)。150L含有不同污染物的水经过两种滤器过滤。滤液中不同污染物的初始浓度列于表1。表1污染物浓度氯0.34mg/L碘0.213mg/L苯47μg/L甲苯49μg/L乙苯44μg/L铜46μg/L镉23μg/L汞5.2μg/L锌40μg/L铅41μg/L大肠杆菌1x105/L在这个实施例中通过本专利技术的滤器和常规的滤器去除的不同元素或试剂的百分率如表2所示。表2本滤器元件对重金属、VOC、放射性物质和细菌具有非常高的去除率。此外，流出液的pH不受滤器元件影响。在这个实施例中，本专利技术滤器元件的最大处理能力是40加仑(大约150L)，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件，其包含活性炭、离子交换树脂、生物聚合物和金属氧化物；所述的离子交换树脂包括阳离子型和阴离子型离子交换树脂；所述的生物聚合物为1μm到100μm的颗粒形式；所述的金属氧化物也为10nm到10μm的颗粒形式，并且所述金属氧化物或者通过原位处理被纳入到所述的生物聚合物颗粒以形成生物聚合物‑金属氧化物颗粒，或者被直接纳入到所述滤器元件中；所述活性炭、阳离子型离子交换树脂、阴离子型离子交换树脂、和所述生物聚合物‑金属氧化物颗粒在所述滤器元件中的重量比为0‑30:35‑45:15‑20:15‑20，且所述重量比使所述滤器元件具有可过滤约150L家庭用水的最大容量。

【技术特征摘要】
2013.10.10 US 61/961,289;2014.09.30 US 14/501,0581.一种用于消毒、清洁和净化家庭用水的滤器元件，其包含活性炭、离子交换树脂、生物聚合物和金属氧化物；所述的离子交换树脂包括阳离子型和阴离子型离子交换树脂；所述的生物聚合物为1μm到100μm的颗粒形式；所述的金属氧化物也为10nm到10μm的颗粒形式，并且所述金属氧化物通过原位处理被纳入到所述的生物聚合物颗粒以形成生物聚合物-金属氧化物颗粒；所述活性炭、阳离子型离子交换树脂、阴离子型离子交换树脂和所述生物聚合物-金属氧化物颗粒在所述滤器元件中的重量比为0-30:35-45:15-20:15-20，且所述活性炭的重量不为0，其中所述重量比使所述滤器元件具有可过滤150L家庭用水的最大容量。2.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述阳离子型和阴离子型离子交换树脂包括强酸性树脂、弱酸性树脂、强碱性树脂、弱碱性树脂或其混合物。3.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述生物聚合物包括一种或多种的纤维素、淀粉、角叉菜胶、壳聚糖、甲壳质和藻酸盐。4.根据权利要求3所述的滤器元件，其中所述生物聚合物是水不溶性的和交联的，包含壳聚糖和藻酸盐，从而由于该壳聚糖和藻酸盐的正表面电荷或负表面电荷使得形成的所述生物聚合物颗粒具有抗菌性能及凝聚性能。5.根据权利要求1所述的滤器元件，其中所述金属氧化物是过渡金属氧化物，包括羟基氧化铁、氧化铁和氧化铜。6.根据权利要求1所述的滤器元件，其中待由所述滤器元件从水中去除的污染物包括重金属、挥发性有机化合物(VOC)、卤素、细菌和放射性物质。7.根据权利要求6所述的滤器元件，其中所述重金属包括镉、铅、银、锌和铜。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：李基凡，何漪雯，李家骏，陈蔚茵，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81