一种复合吸附元件和净化水的方法技术

一种含有装填的粒状和纤维状混合物的组合吸附元件，希望其中含有粒状活性炭（ＧＡＣ）和活性炭纤维（ＡＣＦ）。将该元件用作过滤器来净化自来水。在该组合吸附元件中，用活性炭纤维充满活性炭颗粒之间的间隙中。设计ＧＡＣ和ＡＣＦ的大小和相关数量，使其能够处理水，从水中去除杂质的速度快于常规的采用粒状活性炭的过滤器时的速度。此外，在过滤之间有显著的时间间隔，装填的根据本发明专利技术方法制备的粒状活性炭和活性炭纤维的混合物显示出，在过滤之间的时间间隔内，该混合物具有改进的恢复其吸附容量的能力。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水净化方法，更具体地说，本专利技术尤其涉及一种使用能减少水流阻力并改进吸附特性的组合活性炭元件，以改进饮用水水质的方法。例如，由于人为污染的不断发生，世界范围内的人口增长，以及随之产生的水源负载的不断增加，使得越来越需要在家庭(使用地点的水净化系统)对水进行净化。随着人们能对水中致病污染物获得的更多的医疗和环境信息，显然就更需要使用纯净水。使用地点典型的水净化系统包括一个用于除去氯、有机物以及其它杂质的活性炭床层。通常活性炭是颗粒状的。使用人造活性炭颗粒吸附床的优点是颗粒状的活性炭便宜，在水流的作用下，颗粒状的活性炭床层不会压实，且颗粒状的活性炭对水流的阻力比较小。使用粒状活性炭床层的缺点是吸附速率低。在工业应用中，推荐的水流与活性炭吸附床之间的接触时间至少为15分钟。由于活性炭颗粒的粒径比较大，以及它们之间存在的空隙，粒状活性炭床层的另一个缺点是不能去除比较小的粒状污染物。众所周知，粉末状的活性炭比颗粒状的活性炭吸附杂质更快，但是细小的碳粉末对水流的阻力高，并且在水流的作用下会出现不希望的压实。通常避免压实的办法是搀和粘合剂。当用聚合的热塑性材料将包含活性炭颗粒的过滤元件粘结成一刚性结构时，该过滤元件在水流的作用下不会压实，由于与粘结材料的固定接触，那些所谓“碳块”结构的缺点是损失了一部分吸附容量。另一个缺点是，在这种过滤器中，活性炭只能占据吸附床体积的一部分。而剩余的吸附床体积被固定的聚合粘结材料占据。粘合剂不能有效地吸附杂质，搀入粘合剂与只含活性炭的吸附床相比会增加床层的体积。此外，由于存在热塑性的粘结材料，这种碳块材料的另一个缺点是阻碍了蒸汽的再生或消毒能力。此外，制造这种碳块材的费用昂贵，需要恰当的温度和其它情确控制的工艺条件。活性炭纤维早已被使用，尽管凭经验活性炭纤维的压实性明显地小于粉末状活性炭，但是它价格昂贵，且在水流作用下会压实，由此降低流动阻力。本专利技术的目的是提供一种能减少流动阻力，并改进吸附特性的复合过滤元件；它吸附活性高，吸附容量高，与常规过滤器相比压力降小，且本专利技术新颖的复合元件容易制造。本专利技术的另一个目的是提供一种采用复合活性炭过滤器净化水的方法，该活性炭过滤器是用活性炭颗粒(GAC)和活性炭纤维(ACF)联合制成的，其中活性炭纤维位于活性炭颗粒之间，以便消除它们之间的较大间隙。本专利技术的另一个目的是提供一种含有活性性炭颗粒和活性炭纤维混合物的吸附材料。本专利技术的另一个目的是提供一种生产上述吸附材料的方法，在水中混合已被磨碎的活性炭纤维和颗粒状的活性炭，并从该混合物中除去过量的水。通过以下对本专利技术的详细描述，可更完全地理解本专利技术的上述和其它目的和新特征。本专利技术的吸附材料包括一种颗粒和纤维的混合物，更具体地说是一种颗粒状活性炭(GAC)和活性炭纤维(ACF)的混合物。在本专利技术的另一种实施方式中，采用了离子交换树脂颗粒与离子交换纤维混合得到的混合物。本文中所用的术语“GAC”指的是本领域公知的颗粒状活性炭，也即粒径在50-3000微米范围内的多孔活性炭颗粒。优选地，在实施本专利技术时，使用粒径大约为100-2000微米的活性炭颗粒，更优选地是200-1,000微米的活性炭颗粒。根据本专利技术，使用的颗粒至少有300m2/g的比表面积，优选地至少为500m2/g。它们对亚甲蓝的吸附容量至少为50mg/g，更优选地至少为100mg/g。本文中所用的术语“ACF”指的是本领域公知的活性炭纤维，也即通过碳化处理和活化处理有机纤维得到的多孔碳纤维。ACF按制备时所用的母体来分类。通常母体包括人造纤维、聚丙烯腈、沥青等等。这些类型中的任何一种活性炭纤维都适用于本专利技术。从高吸附容量和迅速吸附杂质的能力来看，在这些活性炭纤维中，尤其优选地是市场有售的ACF材料、人造纤维类的ACF。例如美国专利第5,521,008描述了一种人造纤维类ACF的制备方法，引用在这里作为参考。活性炭纤维吸附杂质的容量大于粉末状活性炭。此外，当它在水流的作用下压实时，它能降低流动阻力，且凭经验活性炭纤维的压实要明显地小于粉末状活性炭的压实。活性炭纤维材料的一个优点是其碳微粒的量要小于粉末材料的量。此外，采用ACF生成的碳微粒不会象由粉末状活性炭生成的碳微粒那样多地妨碍周围的流动。由于它们的粒径小，故采用活性炭纤维的另一个优点是纤维之间相互靠近，能够从引入的水流中容易去除悬浮固体和泥沙。象深滤器一样，它还能从水中去除细菌。适用于本专利技术的ACF的比表面积至少为大约400m2/g，优选地至少为750m2/g。各种纤维的平均粒径明显地小于活性炭颗粒的平均粒径。最理想的是。活性炭颗粒的平均粒径比活性炭纤维的平均粒径大一个数量级，且活性炭纤维的最大直径明显小于活性炭颗粒的最小粒径的一半；也即活性炭纤维的直径在1-30微米的数量级，优选地在4-20微米的数量级。其亚甲蓝吸附容量至少大约为200mg/g，优选地至少为350mg/g。当纤维的平均直径低于4微米时，活性炭纤维往往会产生过量的碳微粒，其堆积密度会变得过大。而平均直径低于1微米时，堆积密度会变得很大，以至于不能进行有效的过滤。理想的，用于制备复合吸附材料的活性炭纤维的长度分布大约为0.2mm-20mm，优选地大约为1-10mm。通常市场有售的活性炭颗粒的堆积密度大约为0.4g/cm3-0.6g/cm3。通常活性炭纤维的堆积密度大约为0.04g/cm3-0.3g/cm3，最好大约为0.1g/cm3。本文中使用的术语“混合的”指的是活性炭纤维和活性炭颗粒在复合吸附床中的状态，意味着活性炭纤维与活性炭颗粒缠在一起，并缠绕在活性炭颗粒周围，活性炭纤维基本上落在装填活性炭颗粒形成的缝隙中。在复合吸附材料中，理想的活性炭纤维含量大约为25％-60％v/v，优选地是35-55％。用重量百分比表示，活性炭纤维的含量最好大约为5-30％w/w。如果活性炭纤维的含量小于复合材料体积的大约25％，碳颗粒之间的间隙将不足以也即基本上不被活性炭纤维充填。如果活性炭纤维的含量大于吸附床体积的大约60％，在正常水流条件下，一些活性炭纤维将出现不希望的压实；由此对过滤器的堆积密度和背压特性产生不利的影响。此外，由于纤维相对于颗粒的价格贵，因此复合吸附床的费用将不必要地增加。本专利技术的复合吸附材料是多孔的，使用这种材料作吸附剂能降低压力降。可以用下列方法生产本专利技术的复合吸附材料最好在水中混合活性炭纤维和活性炭颗粒。在水中加入所述量的活性炭纤维和活性炭颗粒，进行湿法混合并搅拌，直到形成均匀的混合物。尽管不是最佳的，但却可以使用除水以外的其它分散液体介质。例如，可以使用有机溶剂如乙醇的水溶液或无机盐。通常用于混合的水占活性炭颗粒总重量的300-3000wt％。混合后进行脱水，使混合物快速沉淀，对得到的混合物进行离心分离，除去过量的水。通常复合混合物中保留的水分占复合吸附混合物总重量的5-50wt％。通常，足够的混合时间大约是1-15分钟，然后离心分离1-10分钟，从复合吸附材料中除去多余的水分。将用上述方法得到的复合吸附材料装填到合适的吸附柱中，制成吸附床。当将上述吸附床用于其最佳用途即过滤水时，在使用过程中，最好避免出现吸附床变成流态化的状况，以使较轻的活性炭纤维不会与活性炭颗粒相分离。为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过滤水的方法，包括使不纯的水通过一个吸附元件，该吸附元件包含一种由活性炭纤维和活性炭颗粒组成的复合混合物，其特征在于活性炭纤维基本上充满活性炭颗粒之间的间隙。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JL施密特，AV皮缅诺夫，AI利伯曼，
申请(专利权)人：电泳公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]