[发明专利]一种除砷过滤材料及其制备方法和在饮用水净化中的应用

说明书

技术领域

本发明属于过滤材料制备领域，特别涉及一种具有吸附和固定砷及重金属功能的过滤材料，其制备方法和用途，该过滤材料可有效将流体例如水中含有的三价砷和五价砷除去。

背景技术

砷是毒性很强的元素之一，也是各国饮水标准中主要去除的无机毒素。在自然界水体中多以三价和五价状态存在。然而其作为一种金属元素，不是以普通阳离子的状态存在，而主要以亚砷酸根和砷酸根形式存在。即使现代的技术如反渗透膜（RO）对三价砷的去除率仅为50％左右，不能满足对砷的过滤需求。另外，过滤材料对砷和毒性极大的重金属过滤，必须兼顾吸附后的固定问题。

传统多孔陶瓷和陶瓷滤芯利用硅藻土的天然多孔结构可以去除细菌和大分子有机物，但不能去除离子状态的砷和重金属。另一方面，零价铁／纳米零价铁在低pH（小于6）水里，缓慢腐蚀并贡献两个自由电荷，对砷和重金属进行还原和共生沉淀（co-precipitation），从而达到去除重金属的目的。但是，零价铁的单独应用，带来如下问题：一、须在pH小于7的环境下才能发生腐蚀反应，调节和控制pH是饮用水过滤的应用限制；二、水中须有一定的溶解氧（大于2毫克／升）才能持续反应；三、反应过程中形成有害污泥，不能固定重金属，需要进一步无害化处理；四、使用过程中产生大量多余的三价铁或亚铁离子，使水呈现红色或橙色，必须进一步处理。

为了解决零价铁的这些应用限制问题，一些研究采取将零价铁或纳米零价铁以涂层的方式形成在活性炭、天然硅藻土、高岭土和高岭土制备的多孔陶瓷颗粒上。但是涂层的办法仍然存在一些问题，如活性炭混合法制备的涂层容易在pH变化或水质变化时脱落，这在饮用水中会导致急性中毒；此外，过滤材料易产生零价铁粉脱落和表面氧化的问题，从而降低其吸附能力。

中国发明专利ZL200680052402.X公开了一种从水中去除砷和重金属的方法和组合物，其中使用高岭土陶瓷颗粒进行零价铁涂层的方法，可以有效去除砷和重金属，并在陶瓷表面实现重金属固定，但是该方法也仅能利用陶瓷表面结构，吸附效率还需要进一步提高。

总结而言，在对于砷的去除上，现有技术的主要缺点是：一、传统陶瓷氧化煅烧仅能提供多孔结构过滤细菌和大分子物质进行物理过滤；二、零价铁粉应用多产生铁离子和有害废物；三、活性炭铁粉涂层存在脱落问题；四、陶瓷颗粒表面涂层仅能利用表面结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有除砷功能、可用于饮用水净化处理的新型过滤材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的一种技术方案是：

一种除砷过滤材料，该过滤材料由孔隙率为35%～85%的多孔陶瓷基体和在多孔陶瓷基体的内部原位生成的纳米零价铁粒子构成，多孔陶瓷基体的微孔大小为2～10微米，且在所述微孔内形成有绒状的无定型硅-铁-碳结构，所述微孔内的绒状的无定型硅-铁-碳结构在吸水后能够形成吸附膜，以重量份计，多孔陶瓷基体的材料组成为：硅藻土50～55份，膨润土6～8份，淀粉3～4份，高岭土3～5份，液体蜡1～2份，铁粉1～3份，炭粉13～15份。

根据本发明，所述的过滤材料的表面为铁青色或青灰色，新鲜断面为蓝色，过滤材料在吸水或浸水后变成黑色；所述过滤材料能够将0.1mm以下Y25磁铁粉末吸附；所述过滤材料在刮去表层粉末后，按NY/T1377-2007土壤标准测定的pH为7.2～8.2。

优选地，所述多孔陶瓷基体的孔隙率为55%～70%。

优选地，所述过滤材料通过对多孔陶瓷基体进行纳米铁改性得到，纳米铁改性的方法是先将多孔陶瓷基体吸附上二价铁离子，再利用还原剂对吸附在多孔陶瓷基体上的二价铁离子进行原位还原，最后将多孔陶瓷基体在400℃～500℃下进行无氧烧结。

优选地，过滤材料的形状为1～2mm的球形颗粒或长5～20mm的柱状颗粒。

本发明采取的又一技术方案是：一种上述的除砷过滤材料的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将硅藻土、膨润土、高岭土、炭粉、淀粉、液体蜡、铁粉按配方比例混合，在温度350℃～550℃下进行无氧烧结，得到所述多孔陶瓷基体；

（2）、将多孔陶瓷基体浸泡到pH 7.0～8.0、含有亚铁离子和增粘剂的水相混合液中，待多孔陶瓷基体完全润湿后，取出多孔陶瓷基体，晾干备用，其中：增粘剂为葡萄糖、蔗糖及可溶性淀粉中的一种或多种的组合，增粘剂在水相混合液中的含量为0.2wt%～15wt%，所述亚铁离子在水相混合液中的含量为0.5wt%～3wt%；