申请日2010.03.22
公开(公告)日2013.01.30
IPC分类号C02F1/28
摘要
一种用于处理水溶液的方法，其中制备具有有离子交换性能的聚合物的过滤材料，所述聚合物粘附在多孔的粒状粒子的表面或浸渍在其内，以使所得到的结构不会导致所述粒状粒子的任何聚集或结合，从而保持所述粒子的最大表面积以与溶液中的金属杂质反应。一种过滤材料，其由多孔的粒状粒子和离子交换聚合物构成。一种通过使水溶液通过所述过滤材料以除去该溶液中的金属杂质而处理水溶液的方法。一种再生被金属杂质饱和的过滤材料的方法。
权利要求书
1.一种用于处理液体溶液的过滤材料，所述过滤材料包括：
多孔的未聚集且未结合的粒状材料，所述粒状材料用具有离子交换性 能的聚合物材料浸渍。
2.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述粒状材料不会被所述聚 合物化学结合在一起。
3.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物材料被捕获在所 述多孔的粒状材料内部，由此在没有堵塞所述粒状材料的孔隙的情况下暴 露高水平的所述聚合物离子交换材料的表面积。
4.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物具有阴离子性 能。
5.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物具有阳离子性 能。
6.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述粒状材料选自由碳、二 氧化钛、氧化铝、氧化锆、铁氧化物、锌氧化物、锰砂、硅藻土和粘土组 成的组。
7.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述粒状材料是活性炭。
8.根据权利要求7所述的过滤材料，其中所述活性炭选自由椰子壳、 烟煤、褐煤、木材基和竹材组成的组。
9.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物材料是聚羧酸。
10.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物材料是聚丙烯 酸。
11.根据权利要求1所述的过滤材料，其中所述聚合物材料是聚甲基 丙烯酸。
12.根据权利要求10所述的过滤材料，其中所述聚丙烯酸的分子量为 约10,000至500,000。
13.根据权利要求12所述的过滤材料，其中所述聚丙烯酸的分子量为 约200,000至400,000。
14.根据权利要求4所述的过滤材料，其中所述聚合物结构由聚亚胺、 聚胺或聚二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)构成。
15.根据权利要求14所述的过滤材料，其中所述聚合物的分子量为约 500,000至1,000,000。
16.一种用于处理溶液的过滤材料，所述过滤材料包括：
多孔的未聚集且未结合的粒状材料，
浸渍在所述粒状材料内的聚合物，其中所述聚合物具有离子交换性 能。
17.一种制备具有离子交换性能的过滤材料的方法，所述方法包括：
a)提供多孔的未聚集且未结合的粒状粒子，
b)将所述粒状粒子与具有离子交换性能的聚合物混合，
c)使所述聚合物的一部分交联以粘附至所述粒状粒子的表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述粒状材料用所述聚合物浸 渍。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述粒状粒子是活性炭。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括添加溶剂以调节所 述聚合物的粘度从而促进浸渍到所述粒状粒子中的步骤。
21.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括添加交联剂的步 骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述交联剂选自由二羧酸、戊 二酸、丁二酸和丙二酸组成的组。
23.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括加热所述过滤材料 以使所述聚合物进一步交联的步骤。
24.一种用于处理液体溶液的方法，所述方法包括：
a)提供过滤材料，其中所述过滤材料包括多孔的未聚集且未结合的粒 状材料，所述粒状材料用具有离子交换性能的聚合物浸渍，以使所述聚合 物固定在所述粒状材料的表面上或浸渍在所述粒状材料中，和
b)使液体溶液通过所述过滤材料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述粒状粒子是活性炭。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚羧酸。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚丙烯酸。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚亚胺。
29.根据权利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚胺。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚二烷基二甲基 氯化铵(DADMAC)。
31.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括回收经过滤的金属 杂质的步骤。
32.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括通过使所述过滤材 料与浓酸溶液接触以除去阳离子金属杂质并用水冲洗所述过滤材料而使 所述过滤材料再生的步骤。
33.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括通过使所述过滤材 料与浓苛性碱溶液接触以除去阴离子金属杂质并用水冲洗所述过滤材料 而使所述过滤材料再生的步骤。
说明书
用于水处理的浸渍碳
发明领域
本发明一般地涉及可用于处理水溶液的碳基(颗)粒状材料。而且，本 发明涉及一种制备用于处理水溶液的碳基粒状材料的方法。更具体地，本 发明利用聚合物浸渍的碳基粒状材料来除去溶解在水溶液中的溶解金属 和其它离子污染物。本发明还提供一种浸渍各种尺寸的碳或其它多孔的粒 状介质的方法，其中用聚合物离子交换化合物，包括聚羧酸、聚胺和聚亚 胺，以不会导致所述粒状粒子的任何聚集或结合在一起的方式进行。
相关申请的交叉引用
无。
发明背景
从水溶液(包括水)中除去金属污染物和有机化合物是日益重要的环境 问题。除了必需处理的饮用水之外，其它水源如酸性矿井排出水、工业废 水和城市污水都必须进行处理。这些水溶液可能含有需要被除去的金属离 子。水中可能含有的一些金属离子是有毒的，而其它金属离子可能是有价 值的。因此，对于可以用来处理水的质量以除去金属离子杂质且由此可以 收集这样的杂质的方法存在需要。除了金属污染物之外，可能有意义的饮 用水中的有机污染物的实例包括，来自加氯处理的消毒副产物，各种杀虫 剂、溶剂、汽油烃和大量药物化合物(它们可以有途径进入地表水和地下水 中)。
经常通过使用苛刻化学品在工业规模进行从水中除去金属离子杂质。 使用化学品来从水溶液中除去和回收有毒金属离子已很普遍。这样的技术 包括化学沉淀、离子交换、反渗透、电渗析、溶剂萃取(液体离子交换)和 化学减除(见美国专利号5,279,245)。然而，这些程序典型地具有以下缺点： 金属离子去除不完全、高的试剂和能量要求、以及产生需要处理的有毒淤 泥或其它废产物。有机污染物的去除涉及活性炭的使用，并且可能包括以 上概述过程。
此外，联邦政府规定的清除标准要求，排放至公用水中的流出物通常 含有低于1mg/L的金属，如铜、锌、镉、铅、汞和锰。因此，去除技术 必须足够有效以除去这些金属污染物，从而确保符合联邦政府的规章，同 时保持对于市政当局而言在经济上是可行的。对于有机杂质的处理和去 除，还存在US EPA规章和准则。
目前，有大量用于从水溶液中除去金属离子的方法和材料。典型地， 在饮用水和工业用水处理、以及废水处理中，多种类型的粒状介质目前用 来帮助除去或减少宽范围的溶解金属。这样的金属包括，仅举几个例子， 铅、镉、汞和砷。这些粒状介质典型地是聚合物珠形式的离子交换树脂。 几年之前，开发了碳基介质(美国专利6,843,922)，其使用具有离子交换容 量的聚合物粘合剂。它的一个实例是聚羧酸(具体地，聚丙烯酸，称为PAA)， 以将细的活性炭粉末聚集成较大的颗粒。由于碳本身的表面积和吸附能 力，这允许过滤介质与那时无碳的已有聚合物离子交换珠相比，具有改善 的性能。
尽管美国专利6,843,922代表了对于技术状况的改善，但使用活性炭 基(基于活性炭的，activated carbon based)聚合物材料仍然有一些问题。与 这种处理介质有关的问题包括由于在混合和固化过程中的变化导致的差 的颗粒结构完整性。而且，存在粘合剂堵塞活性炭的孔隙的趋势。这减小 了表面积并降低了碳对于有机污染物的吸附容量。对聚集之后所得粒度的 控制也困难，并且需要额外的步骤来将所得的较大颗粒进行分选或可能的 研磨至更可用的尺寸。
因此，对于用来除去水中的金属离子的更有效方法存在需要。更具体 地，对于克服当前技术中的问题的活性炭基粒状材料存在需要。即，对于 不需要额外加工以获得可使用和有效尺寸的活性炭基粒状材料存在需要。 此外，对于不会堵塞碳上的孔隙(由此降低材料的处理效力)的活性炭基粒 状材料存在需要。更进一步地，对于比本领域使用的当前方法更廉价的制 备活性炭基粒状材料的改良方法存在需要。这就是本发明通过提供经由浸 渍对抗聚集来制备活性炭基金属减少介质的能力而克服的这些问题。这导 致粒子的优异污染物减少性能和结构完整性，具有低得多的制造成本。这 种经济上的优点通过消除使细粉末聚集以及随后在生产之后研磨或再尺 寸化该介质所需的步骤而实现。
发明概述
本发明涉及一种新型过滤材料(filtrate material)及其制备方法。更具体 地，本发明提供了一种制备用来从水溶液中除去溶解的金属和其它有机污 染物的活性炭基过滤介质的新方法。本发明基于一种新的方法，该方法允 许用聚合物离子交换化合物浸渍各种类型和尺寸的活性炭或其它多孔的 粒状介质。此新方法允许粒状材料和离子交换聚合物的组合以不会导致这 些碳粒子的任何聚集或结合在一起的方式发生。相比于常规方法，这种组 合方法允许更大的被涂覆多孔碳的表面积暴露，同时不干扰该材料的其它 吸附性能。
所述方法在碳粒子彼此没有化学结合的情况下进行。更确切地，本方 法在碳孔隙结构中捕获聚合物溶液，从而保持更大的碳的表面积用于与水 中的污染物反应，同时用聚合物离子交换材料有效地浸渍所述碳孔隙结 构。因为不存在碳的结合或聚集，所以可以选择和利用理想的碳粒度，并 且不存在与所得粒子的结构完整性相关的问题。在非常少的工作下，可以 实现最终产物中的大比例(80-95+%)的初始粒度。这代表了相对于现有技 术的显著改进，并且具体地相对于美国专利6,843,922的教导，其在聚集 及随后的研磨和筛选中需要相当大的工作来实现所需的粒度分布。此外， 本发明中可以使用各种类型的活性炭，包括椰子壳、烟煤(bituminous)、褐 煤、木材基(基于木材的，wood based)和竹材。此外，也可以使用各种类 型的离子交换聚合物，包括具有阴离子或阳离子性能的那些。
最一般地说，本发明涉及一种用于处理液体溶液的过滤材料。该过滤 材料或介质由多孔的粒状材料形成。所述粒状材料不聚集并且不经历粒子 结合在一起。所述粒状材料与具有离子交换性能的聚合物组合。更具体地， 本发明是一种过滤介质，其中粒状粒子彼此不会被所述聚合物化学结合。
具体地，本发明涉及一种过滤材料，其中聚合物离子交换化合物被捕 获在粒状碳孔隙结构中。尽管被聚合物材料浸渍，但这种捕获允许粒状粒 子继续暴露高水平的表面积，并因此保持活性炭去除有机污染物的固有能 力。本发明还考虑了具有阴离子或阳离子性能的聚合物材料的用途。
本发明考虑并提供了一种过滤材料，其中，粒状材料可以是活性炭、 二氧化钛、氧化铝、氧化锆、铁氧化物、锌氧化物、锰砂、硅藻土和粘土、 或具有大的内部表面的任何其它海绵状多孔制品。
本发明还提供和公开了一种用于处理溶液的过滤材料，其由多孔的未 聚集(unagglomerated)且未结合(unbound)的粒状材料和聚合物制成。所述聚 合物浸渍在该粒状材料内并且具有离子交换性能。
一旦在与足够水平的溶解的水中金属污染物接触之后离子交换容量 已被耗尽时，本发明还允许所述浸渍过滤材料的离子交换容量可以进行再 生。一旦过滤材料上的所有离子交换部位均已被饱和，并且不能发生进一 步的离子交换时，可以通过使所述材料与5%酸(HCl)溶液(用于阳离子)或 苛性钠(NaOh)(用于阴离子)接触，随后用水冲洗而使这些离子交换部位再 生。这恢复过滤材料的离子交换容量，该过滤材料再次能够去除水溶性的 金属污染物。这个再生步骤允许过滤材料具有延长的寿命，导致产生更大 的成本效率。一旦离子被转移至酸或碱溶液后，它们可以被回收，对于工 业，包括采矿，提供了某些额外的益处。应当理解，许多酸溶液和苛性碱 溶液可以用于再生所述过滤材料，并且本发明不限于盐酸和氢氧化钠溶 液。
本发明还涉及一种制备具有离子交换性能的过滤材料的方法。该方法 包括提供多孔的未聚集且未结合的粒状粒子，以及用具有离子交换性能的 聚合物浸渍所述粒子。一旦混合，所述聚合物发生交联以将该聚合物粘附 至所述粒状粒子的表面。本发明还考虑将粒状材料和聚合物混合，以使所 述粒状粒子用聚合物浸渍。此外，本发明考虑了添加溶剂以调节聚合物的 粘度，从而促进浸渍到粒状粒子的大孔隙和微孔中。此外，本发明考虑添 加交联剂，以在粒状材料的浸渍后有助于聚合物发生交联。交联剂可以选 自这样的交联剂，如二羧酸、戊二酸、丁二酸(succenic acid)和丙二酸。此 外，本发明还考虑增加加热所述过滤材料以使聚合物进一步交联的步骤。
本发明还涉及一种用过滤材料处理液体溶液的方法。更具体地，所述 过滤材料是多孔的未聚集且未结合的粒状材料，其与具有离子交换性能的 聚合物组合。所述聚合物固定在粒状材料表面上或浸渍在粒状材料中。使 液体溶液通过所述过滤材料并且金属和其它杂质从该溶液中除去。本发明 还考虑了所述粒状粒子是活性炭。本发明还考虑了回收从溶液中去除的金 属和其它有机杂质的步骤。
