專利名稱：用于水處理的浸漬碳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及可用于處理水溶液的碳基(顆)粒狀材料。而且，本發(fā)明涉及一種制備用于處理水溶液的碳基粒狀材料的方法。更具體地，本發(fā)明利用聚合物浸潰的碳基粒狀材料來除去溶解在水溶液中的溶解金屬和其它離子污染物。本發(fā)明還提供一種浸潰各種尺寸的碳或其它多孔的粒狀介質(zhì)的方法，其中用聚合物離子交換化合物，包括聚羧酸、聚胺和聚亞胺，以不會(huì)導(dǎo)致所述粒狀粒子的任何聚集或結(jié)合在一起的方式進(jìn)行。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用無。
背景技術(shù)：
從水溶液(包括水)中除去金屬污染物和有機(jī)化合物是日益重要的環(huán)境問題。除了必需處理的飲用水之外，其它水源如酸性礦井排出水、工業(yè)廢水和城市污水都必須進(jìn)行處理。這些水溶液可能含有需要被除去的金屬離子。水中可能含有的一些金屬離子是有毒的，而其它金屬離子可能是有價(jià)值的。因此，對(duì)于可以用來處理水的質(zhì)量以除去金屬離子雜質(zhì)且由此可以收集這樣的雜質(zhì)的方法存在需要。除了金屬污染物之外，可能有意義的飲用水中的有機(jī)污染物的實(shí)例包括，來自加氯處理的消毒副產(chǎn)物，各種殺蟲劑、溶劑、汽油烴和大量藥物化合物(它們可以有途徑進(jìn)入地表水和地下水中)。經(jīng)常通過使用苛刻化學(xué)品在工業(yè)規(guī)模進(jìn)行從水中除去金屬離子雜質(zhì)。使用化學(xué)品來從水溶液中除去和回收有毒金屬離子已很普遍。這樣的技術(shù)包括化學(xué)沉淀、離子交換、反滲透、電滲析、溶劑萃取(液體離子交換)和化學(xué)減除(見美國(guó)專利號(hào)5，279，245)。然而，這些程序典型地具有以下缺點(diǎn)金屬離子去除不完全、高的試劑和能量要求、以及產(chǎn)生需要處理的有毒淤泥或其它廢產(chǎn)物。有機(jī)污染物的去除涉及活性炭的使用，并且可能包括以上概述過程。此外，聯(lián)邦政府規(guī)定的清除標(biāo)準(zhǔn)要求，排放至公用水中的流出物通常含有低于lmg/L的金屬，如銅、鋅、鎘、鉛、汞和錳。因此，去除技術(shù)必須足夠有效以除去這些金屬污染物，從而確保符合聯(lián)邦政府的規(guī)章，同時(shí)保持對(duì)于市政當(dāng)局而言在經(jīng)濟(jì)上是可行的。對(duì)于有機(jī)雜質(zhì)的處理和去除，還存在US EPA規(guī)章和準(zhǔn)則。目前，有大量用于從水溶液中除去金屬離子的方法和材料。典型地，在飲用水和工業(yè)用水處理、以及廢水處理中，多種類型的粒狀介質(zhì)目前用來幫助除去或減少寬范圍的溶解金屬。這樣的金屬包括，僅舉幾個(gè)例子，鉛、鎘、汞和砷。這些粒狀介質(zhì)典型地是聚合物珠形式的離子交換樹脂。幾年之前，開發(fā)了碳基介質(zhì)(美國(guó)專利6，843，922)，其使用具有離子交換容量的聚合物粘合劑。它的一個(gè)實(shí)例是聚羧酸(具體地，聚丙烯酸，稱為PAA)，以將細(xì)的活性炭粉末聚集成較大的顆粒。由于碳本身的表面積和吸附能力，這允許過濾介質(zhì)與那時(shí)無碳的已有聚合物離子交換珠相比，具有改善的性能。盡管美國(guó)專利6，843，922代表了對(duì)于技術(shù)狀況的改善，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問題。與這種處理介質(zhì)有關(guān)的問題包括由于在混合和固化過程中的變化導(dǎo)致的差的顆粒結(jié)構(gòu)完整性。而且，存在粘合劑堵塞活性炭的孔隙的趨勢(shì)。這減小了表面積并降低了碳對(duì)于有機(jī)污染物的吸附容量。對(duì)聚集之后所得粒度的控制也困難，并且需要額外的步驟來將所得的較大顆粒進(jìn)行分選或可能的研磨至更可用的尺寸。因此，對(duì)于用來除去水中的金屬離子的更有效方法存在需要。更具體地，對(duì)于克服當(dāng)前技術(shù)中的問題的活性炭基粒狀材料存在需要。即，對(duì)于不需要額外加工以獲得可使用和有效尺寸的活性炭基粒狀材料存在需要。此外，對(duì)于不會(huì)堵塞碳上的孔隙(由此降低材料的處理效力)的活性炭基粒狀材料存在需要。更進(jìn)一步地，對(duì)于比本領(lǐng)域使用的當(dāng)前方法更廉價(jià)的制備活性炭基粒狀材料的改良方法存在需要。這就是本發(fā)明通過提供經(jīng)由浸潰對(duì)抗聚集來制備活性炭基金屬減少介質(zhì)的能力而克服的這些問題。這導(dǎo)致粒子的優(yōu)異污染物減少性能和結(jié)構(gòu)完整性，具有低得多的制造成本。這種經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)通過消除使細(xì)粉末聚集以及隨后在生產(chǎn)之后研磨或再尺寸化該介質(zhì)所需的步驟而實(shí)現(xiàn)。發(fā)明概述
本發(fā)明涉及一種新型過濾材料(filtrate material)及其制備方法。更具體地，本發(fā)明提供了一種制備用來從水溶液中除去溶解的金屬和其它有機(jī)污染物的活性炭基過濾介質(zhì)的新方法。本發(fā)明基于一種新的方法，該方法允許用聚合物離子交換化合物浸潰各種類型和尺寸的活性炭或其它多孔的粒狀介質(zhì)。此新方法允許粒狀材料和離子交換聚合物的組合以不會(huì)導(dǎo)致這些碳粒子的任何聚集或結(jié)合在一起的方式發(fā)生。相比于常規(guī)方法，這種組合方法允許更大的被涂覆多孔碳的表面積暴露，同時(shí)不干擾該材料的其它吸附性能。所述方法在碳粒子彼此沒有化學(xué)結(jié)合的情況下進(jìn)行。更確切地，本方法在碳孔隙結(jié)構(gòu)中捕獲聚合物溶液，從而保持更大的碳的表面積用于與水中的污染物反應(yīng)，同時(shí)用聚合物離子交換材料有效地浸潰所述碳孔隙結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴淮嬖谔嫉慕Y(jié)合或聚集，所以可以選擇和利用理想的碳粒度，并且不存在與所得粒子的結(jié)構(gòu)完整性相關(guān)的問題。在非常少的工作下，可以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)物中的大比例(80-95+%)的初始粒度。這代表了相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的顯著改進(jìn)，并且具體地相對(duì)于美國(guó)專利6，843，922的教導(dǎo)，其在聚集及隨后的研磨和篩選中需要相當(dāng)大的工作來實(shí)現(xiàn)所需的粒度分布。此外，本發(fā)明中可以使用各種類型的活性炭，包括椰子殼、煙煤(bituminous)、褐煤、木材基(基于木材的，wood based)和竹材。此外，也可以使用各種類型的離子交換聚合物，包括具有陰離子或陽(yáng)離子性能的那些。最一般地說，本發(fā)明涉及一種用于處理液體溶液的過濾材料。該過濾材料或介質(zhì)由多孔的粒狀材料形成。所述粒狀材料不聚集并且不經(jīng)歷粒子結(jié)合在一起。所述粒狀材料與具有離子交換性能的聚合物組合。更具體地，本發(fā)明是一種過濾介質(zhì)，其中粒狀粒子彼此不會(huì)被所述聚合物化學(xué)結(jié)合。具體地，本發(fā)明涉及一種過濾材料，其中聚合物離子交換化合物被捕獲在粒狀碳孔隙結(jié)構(gòu)中。盡管被聚合物材料浸潰，但這種捕獲允許粒狀粒子繼續(xù)暴露高水平的表面積，并因此保持活性炭去除有機(jī)污染物的固有能力。本發(fā)明還考慮了具有陰離子或陽(yáng)離子性能的聚合物材料的用途。本發(fā)明考慮并提供了一種過濾材料，其中，粒狀材料可以是活性炭、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、鐵氧化物、鋅氧化物、錳砂、硅藻土和粘土、或具有大的內(nèi)部表面的任何其它海綿狀多孔制品。本發(fā)明還提供和公開了一種用于處理溶液的過濾材料，其由多孔的未聚集(unagglomerated)且未結(jié)合(unbound)的粒狀材料和聚合物制成。所述聚合物浸潰在該粒狀材料內(nèi)并且具有離子交換性能。一旦在與足夠水平的溶解的水中金屬污染物接觸之后離子交換容量已被耗盡時(shí)，本發(fā)明還允許所述浸潰過濾材料的離子交換容量可以進(jìn)行再生。一旦過濾材料上的所有離子交換部位均已被飽和，并且不能發(fā)生進(jìn)一步的離子交換時(shí)，可以通過使所述材料與5%酸(HCl)溶液(用于陽(yáng)離子)或苛性鈉(NaOh)(用于陰離子)接觸，隨后用水沖洗而使這些離子交換部位再生。這恢復(fù)過濾材料的離子交換容量，該過濾材料再次能夠去除水溶性的金屬污染物。這個(gè)再生步驟允許過濾材料具有延長(zhǎng)的壽命，導(dǎo)致產(chǎn)生更大的成本效率。一旦離子被轉(zhuǎn)移至酸或堿溶液后，它們可以被回收，對(duì)于工業(yè)，包括采礦，提供了某些額外的益處。應(yīng)當(dāng)理解，許多酸溶液和苛性堿溶液可以用于再生所述過濾材料，并且本發(fā)明不限于鹽酸和氫氧化鈉溶液。本發(fā)明還涉及一種制備具有離子交換性能的過濾材料的方法。該方法包括提供多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀粒子，以及用具有離子交換性能的聚合物浸潰所述粒子。一旦混合，所述聚合物發(fā)生交聯(lián)以將該聚合物粘附至所述粒狀粒子的表面。本發(fā)明還考慮將粒 狀材料和聚合物混合，以使所述粒狀粒子用聚合物浸潰。此外，本發(fā)明考慮了添加溶劑以調(diào)節(jié)聚合物的粘度，從而促進(jìn)浸潰到粒狀粒子的大孔隙和微孔中。此外，本發(fā)明考慮添加交聯(lián)齊U，以在粒狀材料的浸潰后有助于聚合物發(fā)生交聯(lián)。交聯(lián)劑可以選自這樣的交聯(lián)劑，如二羧酸、戊二酸、丁二酸(succenic acid)和丙二酸。此外，本發(fā)明還考慮增加加熱所述過濾材料以使聚合物進(jìn)一步交聯(lián)的步驟。本發(fā)明還涉及一種用過濾材料處理液體溶液的方法。更具體地，所述過濾材料是多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀材料，其與具有離子交換性能的聚合物組合。所述聚合物固定在粒狀材料表面上或浸潰在粒狀材料中。使液體溶液通過所述過濾材料并且金屬和其它雜質(zhì)從該溶液中除去。本發(fā)明還考慮了所述粒狀粒子是活性炭。本發(fā)明還考慮了回收從溶液中去除的金屬和其它有機(jī)雜質(zhì)的步驟。附圖
簡(jiǎn)述沒有與本發(fā)明有關(guān)的附圖。發(fā)明詳述在本說明書中，術(shù)語吸附、吸著和吸收以廣義使用，并且如本文使用的，定義為包括所有形式的金屬和其它污染物攝取和固定，無論是通過吸附、吸收、離子鍵接(包括離子交換)，還是其它形式的金屬攝取和固定。百萬分率(ppm)和十億分率(ppb)是指重量份。本發(fā)明的主要目的是用具有離子交換性能的聚合物材料來涂覆、灌注和/或浸潰精細(xì)尺寸化的活性炭粒子。所述聚合化合物具有能夠賦予離子交換性能的側(cè)端基。本發(fā)明使用合適的催化劑和/或高溫，使這些聚合物交聯(lián)，以將它們固定在表面基材(多孔的粒狀粒子)上并使它們?cè)谒胁豢扇?。該過濾材料理想地用作城市水處理設(shè)施中的添加劑，以除去重金屬和有機(jī)污染物；或者作為其中水溶液中存在溶解的金屬和有機(jī)污染物的工業(yè)應(yīng)用中的添加劑。盡管本發(fā)明由于活性炭處理水溶液的能力而具體地涉及活性炭，但是任何高表面多孔基質(zhì)和或細(xì)粒狀介質(zhì)可以用作所述基材。可以使用的精細(xì)尺寸化介質(zhì)的實(shí)例包括活性炭、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、鐵氧化物、鋅氧化物、錳砂、硅藻土、粘土和各種類型的具有大內(nèi)表面的海綿狀多孔制品。因?yàn)樵诮宦?lián)之后，所述聚合物以精細(xì)的意大利式細(xì)面條狀網(wǎng)絡(luò)不可逆地固定在表面基材上，因此使在下面的基材的大部分孔隙和表面保持暴露。這導(dǎo)致基材保留其除去有機(jī)污染物的固有性能，但對(duì)過濾介質(zhì)增加了離子交換容量。這樣的多功能容量在其中存在空間約束的消費(fèi)水處理裝置中特別有價(jià)值。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，粒狀的活性炭(GAC)用作所述精細(xì)的粒狀基材。用于對(duì)基材形成陽(yáng)離子交換容量的聚合物包括各種聚羧酸。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用聚丙烯酸(PAA)。然而，也可以使用聚甲基丙烯酸聚合物。PAA的分子量應(yīng)當(dāng)為10，000至500，000。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，PAA的分子量應(yīng)當(dāng)為200，000至400，000。交聯(lián)催化劑是多元醇，優(yōu)選甘油。然而，也可以使用乙二醇、I，2-丙二醇、I，3-丙二醇或聚乙烯醇。用于對(duì)基材形成陰離子交換容量的聚合物包括聚亞胺、聚胺或聚二烯丙基二甲基 氯化銨(DADMAC)。這些聚合物的分子量應(yīng)當(dāng)在500，000至1，500, 000之間。交聯(lián)劑應(yīng)是二羧酸。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用戊二酸。然而，也可以使用丁二酸和丙二酸。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，粒狀活性炭(GAC)、聚合物和交聯(lián)催化劑的干基的最佳重量百分比為如下1)GAC :60-80%,2)聚合物20-40 %，3)交聯(lián)劑聚合物的1_10%，和4)水僅為輔助浸潰所需的量。使聚合物交聯(lián)的目的是使聚合物鏈在基材粒子的表面上和孔隙內(nèi)纏結(jié)。這允許聚合物永久地固定在粒狀粒子的表面上。必須注意，不要在過程早期超過最佳的交聯(lián)量，因?yàn)樵诔跏茧A段過度的聚合物交聯(lián)降低最終的離子交換容量。因此，僅一部分的聚合物需要發(fā)生交聯(lián)。在過程早期過多的交聯(lián)是有害的，因?yàn)樗鼫p少了負(fù)責(zé)形成離子交換容量作用的羧酸和胺基團(tuán)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)添加最少量的交聯(lián)聚合物，且為約聚合物干基的重量的I %。在早期階段較低的交聯(lián)是可以接受的，因?yàn)殡S后在制備過程中通過熱處理實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的交聯(lián)。然而，同樣，必須加以注意，因?yàn)檫^度的熱處理也將導(dǎo)致離子交換容量的損失。在描述聚合物溶液向多孔基材的定量添加的以下討論中，將使用利用活性炭作為示例性基材的優(yōu)選實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)理解和顯而易見的是，也可以使用類似的基材。關(guān)于各種添加劑使用的量的考慮，將根據(jù)備選基材的表面積及它們的孔隙尺寸和分布而變化。因?yàn)楸景l(fā)明的目的是將聚合物溶液浸潰到基材(在該優(yōu)選實(shí)施方案中為活性炭)的表面孔隙中，所以必須確保聚合物溶液的適當(dāng)粘度。如果聚合物溶液太粘而不能透過基材的表面孔隙，則可以向該溶液中添加水或其它溶劑以降低粘度。因?yàn)槟康氖遣欢氯蚋采w基材的表面，所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)乜刂平宦?lián)聚合的聚合物的百分比。在所述優(yōu)選實(shí)施方案中，用于活性炭的這個(gè)量已被確定為在活性炭的5至40重量％的范圍內(nèi)。這些交聯(lián)聚合的量將不會(huì)改變所述炭的固有性能如碘值(其指示活性炭每單位重量的碳對(duì)有機(jī)分子的吸附能力)，并且還仍然將對(duì)該活性炭過濾介質(zhì)賦予離子交換的增加的性能。因此，如可以看到的，聚合物的最佳加載將根據(jù)多孔材料的特性、其表面積和孔隙尺寸分布而變化。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的，假如想要達(dá)到的主要目的是提供聚合物的錨固，而基材的固有性能的重要性是次要的，則可以在基材上采用更高的交聯(lián)聚合加載。因此，在惰性多孔基材如非常細(xì)的錳砂上，可以進(jìn)行顯著更高的加載，接近基材重量的90-100%或更大。用聚合物溶液浸潰活性炭的方法最初需要向活性炭添加最佳粘度的聚合物/交聯(lián)催化劑溶液，并且充分混合所得的糊狀物。這可以使用曲拐式攪拌機(jī)、釘齒式混合器、帶式混合器、以雙軸旋轉(zhuǎn)的螺桿混合器、或者能夠確?；牟牧媳痪酆衔锶芤和耆珴?rùn)濕的任何其它方式實(shí)現(xiàn)。典型地，該聚合物糊狀物在這個(gè)階段具有25-50%的固體，余量為溶劑如水。典型的溶 劑也可以包括醇類。在混合之后，使所述糊狀物脫水并且通過將其升至充分高的溫度而進(jìn)行熱交聯(lián)，從而導(dǎo)致充分的交聯(lián)。這確保該聚合物永久地固定在基材上。在糊狀物階段期間，聚合物浸潰的物質(zhì)(mass)經(jīng)歷典型的干燥過程。濕氣或溶劑通過暴露在大于100°c的高溫而除去。所述糊狀物連續(xù)地?cái)嚢瑁⑶以诔ケ砻婧捅砻嫦聺駳獾臅r(shí)間以線性(恒定)速率干燥。在干燥的同時(shí)，材料的稠度從糊狀變化為粒狀。隨著該材料變得更少糊狀且更多粒狀，濕氣或溶劑的除去隨時(shí)間停止是線性的，因?yàn)楸砻婧捅砻嫦碌臐駳饣蛉軇┮驯怀?。一旦這個(gè)發(fā)生，則進(jìn)一步的濕氣或溶劑除去受濕氣或溶劑從顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散速率所限制。在糊狀至顆粒階段的界面處，該材料處于其粘度最大值，并且對(duì)攪拌提供最大抗性。隨著濕氣或溶劑除去繼續(xù)，干燥速率將進(jìn)一步減慢，因?yàn)楦稍锼俾适軡駳饣蛉軇念w粒內(nèi)部的擴(kuò)散所限制。無論任何增加額外的熱，聚合物浸潰的碳物質(zhì)的溫度將直到所有溶劑都被除去才升高。為了獲得最佳的交聯(lián)度，所述物質(zhì)的溫度應(yīng)達(dá)到230-250°C，并且必須在該溫度保持1-2小時(shí)。充分固化或交聯(lián)的明顯特征之一是，當(dāng)用水再潤(rùn)濕時(shí)，材料體的溶脹不存在或最小。當(dāng)用水再潤(rùn)濕碳物質(zhì)時(shí)，它應(yīng)經(jīng)歷不大于其原始物質(zhì)的10%的溶脹。這表明聚合物已經(jīng)充分交聯(lián)并且已經(jīng)永久地附著在基材的表面。在這個(gè)階段，再多的反復(fù)水接觸也不會(huì)將聚合物從基材上移除，并且其余留的羧酸或胺基團(tuán)對(duì)該基材賦予永久的離子交換容量。為了實(shí)現(xiàn)這種特定順序的干燥和固化(聚合物交聯(lián))，可以使用各種機(jī)械和電氣設(shè)備。例如，在浸潰和形成糊狀物期間，可以使用曲拐式攪拌機(jī)、釘齒式混合器、帶式混合器或以雙軸旋轉(zhuǎn)的螺桿混合器。為了促進(jìn)濕氣的除去，可以使用真空聯(lián)合來自電、氣或微波來源的熱。在顆粒階段，其中最初物質(zhì)處于大團(tuán)塊或團(tuán)粒的形式，可以使用各種攪拌和破碎工具以將團(tuán)塊的尺寸降低至粉末。這將促進(jìn)減少除去濕氣和達(dá)成固化所需的時(shí)間。因?yàn)檩^大片的團(tuán)塊或團(tuán)粒減小至較小的顆粒對(duì)于脫水是必需的，所以可以采取糊狀物并將其以意大利式細(xì)面條、薄片、薄餅、壓塊(brickette)或粒料的形式擠出。一旦擠出，該糊狀物可以進(jìn)一步經(jīng)過熱處理以繼續(xù)干燥和固化。而且由于活性炭的制備典型地在回轉(zhuǎn)爐中完成，所以也可以在回轉(zhuǎn)爐中實(shí)現(xiàn)由碳-聚合物物質(zhì)制成的壓塊或粒料的固化。以下實(shí)施例舉例說明了本發(fā)明的不同方面。實(shí)施例I在150升體積的帶式混合器中，使用以下配方，制備一批聚合物浸潰的碳a)活性炭(20X50 目):10kg，b) 25% PAA (Lubrizol-Carbopol-ISX-1794) :15 升(4. 28kg 干基)c)甘油300ml (O. 33kg)，和d)水3 升將活性炭顆粒裝入帶式混合器中。在單獨(dú)的反應(yīng)容器中，以上述量混合PAA、甘油和水。將此混合物添加到連續(xù)攪拌下的帶式混合器中的粒狀化活性炭(下文中“GAC”)中。攪拌速度保持在20rpm。將混合物(現(xiàn)在處于糊狀形式)攪拌30分鐘，并從帶式混合器取出到托盤上。該糊狀物通過輥磨機(jī)在托盤上擠出為一厘米厚的薄片，并且在傳送干燥機(jī)中于230°C對(duì)這些托盤進(jìn)行加熱。使用紅外溫度計(jì)測(cè)量托盤中的糊狀材料的溫度。床溫度保持低于ioo°c,直到基本上所有濕氣被蒸發(fā)。一旦濕氣蒸發(fā)，床溫度開始上升。一旦溫度達(dá)到230°C，該溫度保持90至120分鐘。隨后，將固化的薄片破碎成小片，并放入錘磨機(jī)中。該材料在錘磨機(jī)中加工，直到它回到其原始尺寸20X50目。在固化之后，加入GAC原始重量30%的PAA?；谏鲜雠浞降睦碚摦a(chǎn)量為14. 61kg。在該實(shí)施例中的實(shí)際產(chǎn)量為14. 1kg，導(dǎo)致97%的收率。對(duì)所得的涂覆GAC的過篩分析為如下a)大于(plus) 20 g 0%, b)大于 25 目6%，c)大于 30 目22%，d)大于 40 目54%，e)大于50目16%,以及f)小于(minus) 50 B 2%從該數(shù)據(jù)可以清楚地看到，過篩分析顯示，98%的產(chǎn)物在20X50目尺寸下被回收。應(yīng)當(dāng)注意，20X50目尺寸化粒子正好是初始用來開始本過程的尺寸，并且最終結(jié)果是實(shí)際上沒有粒子的聚集或結(jié)合在一起。將固化的產(chǎn)物放入I. 5cm直徑的試管中，至深度為Icm0標(biāo)記柱的高度，并加水至試管高度的75%。向固化的GAC中添加水，隨著碳被濕潤(rùn)，產(chǎn)生快速氣泡。幾分鐘之后，固體沉降，非?？拷几叨葮?biāo)記。測(cè)量溶脹為小于10%，表明該聚合物被充分固化。如果固化或交聯(lián)不充分，則未固化的PAA聚合物鏈隨著它們被水合而將膨脹，從而導(dǎo)致柱的溶脹。對(duì)于陽(yáng)離子交換容量，通過常規(guī)方法測(cè)試所得的產(chǎn)物。所述產(chǎn)物的陽(yáng)離子交換容量為O. 6meq/g。未處理過的GAC不具有任何陽(yáng)離子交換容量。實(shí)施例2有關(guān)用PAA浸潰GAC的試驗(yàn)在130升體積的Littleford犁鏵干燥器(PloughshareDryer) (Littleford Day, Inc. P. 0. Boxl28,Florence,KY41022-0128)中進(jìn)行。此當(dāng)前工藝水平干燥器具有機(jī)械流化犁鏵裝置，其攪拌并個(gè)別化各個(gè)粒子，從而連續(xù)地暴露極大的粒子表面以進(jìn)行干燥。容器具有加熱套，其中熱油可以循環(huán)以達(dá)到約495° F或250°C的溫度。粒子持續(xù)地相互接觸，并且有夾套的Littleford容器的受熱內(nèi)壁進(jìn)一步加快干燥過程。此夕卜，Littleford犁鏵干燥器裝配有獨(dú)立操作的高剪切切碎機(jī)，其減小了團(tuán)塊或聚集物的粒度，從而暴露未干燥的材料并確保粒子內(nèi)部徹底干燥。犁鏵和切碎機(jī)的組合裝置形成流化床，縮短了干燥時(shí)間。真空的使用進(jìn)一步允許在更低的溫度下除去濕氣。將130升Littleford犁鏵干燥器用于第二試驗(yàn)。在第二試驗(yàn)中使用的配方是a)GAC20X50 :25kg，b)25% PAA CBP-ISX1794 :30 升(33kg)，和c)甘油0. 085kg。將25kg GAC(20X50)添加至Littleford反應(yīng)器容器中。在單獨(dú)的混合容器中，將PAA和甘油混合在一起。一旦混合，將PAA和甘油倒到Littleford反應(yīng)器容器中的GAC上。關(guān)閉反應(yīng)器頂部，密封反應(yīng)器，并且在30英寸處開始真空。在容器關(guān)閉后，保持用犁鏵以75至85rpm攪拌。在夾套中開始加熱油循環(huán)，油溫保持在250°C。攪拌15分鐘之后，對(duì)犁鏵攪拌的阻力增大，并且從安培數(shù)讀數(shù)注意到。經(jīng)過約15分鐘，阻力變得太高并預(yù)示將超過犁鏵上最大允許的安培數(shù)。因而，攪拌降低至IOrpm，同時(shí)繼續(xù)該容器的溫度和真空。然后使用切碎機(jī)達(dá)5分鐘，以減小團(tuán)塊的尺寸并暴露更多的表面以蒸發(fā)濕氣。材料內(nèi)部一變得更干并且對(duì)攪拌的阻力減小，就將犁鏵設(shè)置在75rpm。監(jiān)測(cè)產(chǎn)物的溫度。當(dāng)濕氣被去除時(shí)，溫度開始升高并且升至約250°C。從這時(shí)起，每30分鐘取出小樣品，用于使用實(shí)施例I中描述的試驗(yàn)的進(jìn)行溶脹測(cè)試。在2小時(shí)時(shí)間點(diǎn)之后，材料固化并且溶脹確定為小于10%。對(duì)于陽(yáng)離子交換容量，通過常規(guī)方法測(cè)試所得的產(chǎn)物。所述產(chǎn)物的陽(yáng)離子交換容量為O. 55meq/g。未處理過的GAC不具有任何陽(yáng)離子交換容量。實(shí)施例3按照本發(fā)明制備的浸潰碳對(duì)其從水中去除金屬污染物如鉛、銅、鎘、鋅、鎳、錳、鎂、鉻和鐵的能力進(jìn)行測(cè)試。用高濃度(約50至IOOppm)和低濃度(其中，水中的金屬污染物 的濃度在PPb范圍內(nèi))的金屬污染物測(cè)試該浸潰碳。將根據(jù)本發(fā)明制備的浸潰碳裝入柱中。使100柱床體積的約O. 5ppm低濃度的(對(duì)于汞(Hg)為6. 6ppb)pH為7的金屬溶液通過該柱。分析濾液以確定水中金屬減少的量。表I示出了在低濃度下各種金屬的百分比去除。在低濃度運(yùn)行之后，使100柱床體積的約50ppm低濃度的(對(duì)于萊(Hg)為690ppb)pH為7的金屬溶液通過該柱。分析濾液以確定水中金屬減少的量。表2示出了在高濃度下各種金屬的百分比去除。表I污染物減少
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權(quán)利要求
1.一種用于處理液體溶液的過濾材料，所述過濾材料包括 多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀材料，所述粒狀材料用具有離子交換性能的聚合物材料浸潰。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述粒狀材料不會(huì)被所述聚合物化學(xué)結(jié)合在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物材料被捕獲在所述多孔的粒狀材料內(nèi)部，由此在沒有堵塞所述粒狀材料的孔隙的情況下暴露高水平的所述聚合物離子交換材料的表面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物具有陰離子性能。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物具有陽(yáng)離子性能。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述粒狀材料選自由碳、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、鐵氧化物、鋅氧化物、錳砂、硅藻土和粘土組成的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料,其中所述粒狀材料是活性炭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過濾材料，其中所述活性炭選自由椰子殼、煙煤、褐煤、木材基和竹材組成的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物材料是聚羧酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物材料是聚丙烯酸。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾材料，其中所述聚合物材料是聚甲基丙烯酸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過濾材料，其中所述聚丙烯酸的分子量為約10，000至500，000。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過濾材料，其中所述聚丙烯酸的分子量為約200，000至400，000。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過濾材料，其中所述聚合物結(jié)構(gòu)由聚亞胺、聚胺或聚二烯丙基二甲基氯化銨(DADMAC)構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的過濾材料，其中所述聚合物的分子量為約500，000至I,000，000。
16.一種用于處理溶液的過濾材料,所述過濾材料包括 多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀材料， 浸潰在所述粒狀材料內(nèi)的聚合物，其中所述聚合物具有離子交換性能。
17.一種制備具有離子交換性能的過濾材料的方法，所述方法包括 a)提供多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀粒子， b)將所述粒狀粒子與具有離子交換性能的聚合物混合， c)使所述聚合物的一部分交聯(lián)以粘附至所述粒狀粒子的表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述粒狀材料用所述聚合物浸潰。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述粒狀粒子是活性炭。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，所述方法還包括添加溶劑以調(diào)節(jié)所述聚合物的粘度從而促進(jìn)浸潰到所述粒狀粒子中的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，所述方法還包括添加交聯(lián)劑的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述交聯(lián)劑選自由二羧酸、戊二酸、丁二酸和丙二酸組成的組。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，所述方法還包括加熱所述過濾材料以使所述聚合物進(jìn)一步交聯(lián)的步驟。
24.一種用于處理液體溶液的方法，所述方法包括 a)提供過濾材料，其中所述過濾材料包括多孔的未聚集且未結(jié)合的粒狀材料，所述粒狀材料用具有離子交換性能的聚合物浸潰，以使所述聚合物固定在所述粒狀材料的表面上或浸潰在所述粒狀材料中，和 b)使液體溶液通過所述過濾材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述粒狀粒子是活性炭。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚羧酸。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚丙烯酸。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚亞胺。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述聚合物是聚胺。
30.根據(jù)權(quán)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銨(DADMAC)。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，所述方法還包括回收經(jīng)過濾的金屬雜質(zhì)的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，所述方法還包括通過使所述過濾材料與濃酸溶液接觸以除去陽(yáng)離子金屬雜質(zhì)并用水沖洗所述過濾材料而使所述過濾材料再生的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，所述方法還包括通過使所述過濾材料與濃苛性堿溶液接觸以除去陰離子金屬雜質(zhì)并用水沖洗所述過濾材料而使所述過濾材料再生的步驟。
全文摘要
一種用于處理水溶液的方法，其中制備具有有離子交換性能的聚合物的過濾材料，所述聚合物粘附在多孔的粒狀粒子的表面或浸漬在其內(nèi)，以使所得到的結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致所述粒狀粒子的任何聚集或結(jié)合，從而保持所述粒子的最大表面積以與溶液中的金屬雜質(zhì)反應(yīng)。一種過濾材料，其由多孔的粒狀粒子和離子交換聚合物構(gòu)成。一種通過使水溶液通過所述過濾材料以除去該溶液中的金屬雜質(zhì)而處理水溶液的方法。一種再生被金屬雜質(zhì)飽和的過濾材料的方法。
文檔編號(hào)C02F1/28GK102906027SQ201080066889
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者肯·R·維斯特, 阿爾溫德·S·帕蒂爾 申請(qǐng)人:索法塔斯有限責(zé)任公司