用于去除放射性物質(zhì)的家庭用水濾器元件的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年10月10日提交的美國臨時專利申請系列號61/961，289的優(yōu) 先權，該優(yōu)先權案的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本申請。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于消毒、清潔和凈化水的濾器元件。本發(fā)明特別關注飲用水的 處理領域。
【背景技術】
[0004] 清潔的飲用水是人類的基本需求。然而，全球超過10億人缺乏安全的飲用水。此 夕卜，發(fā)生在2011年3月11日的東日本大地震造成了東京電力公司（TEPCO)福島第一核電 站發(fā)生爆炸，導致大量放射性核元素釋放到環(huán)境中（供水局（WSD)，健康服務局（HSB)，衛(wèi) 生、勞動和福利部（MHLW)，2011年）。爆炸發(fā)生后，放射性碘（131I)和銫（134Cs和137Cs)在 飲用水中被檢測到。因此，這給飲用水的安全性帶來了極大的關注。市場上濾水壺的常規(guī) 水濾器元件通常由活性炭和離子交換樹脂組成，其只能去除水中的重金屬和揮發(fā)性有機物 (VOC)。由于2013年3月11日東日本大地震發(fā)生后水被放射性物質(zhì)污染的高風險性，幾個 研宄小組開始研宄使用常規(guī)水濾器元件以去除污染水中的放射性物質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明涉及一種用于消毒、清潔和凈化家用水的濾器元件，其不僅可以有效去除 水中的放射性物質(zhì)，還可以去除重金屬、VOC和細菌。本發(fā)明要求保護的濾器元件包含生物 聚合物顆粒、過渡金屬氫氧化物或氧化物的顆粒，和一些常規(guī)的過濾組件如活性炭和離子 交換樹脂。納入的生物聚合物顆粒為多糖，包括但不限于纖維素、淀粉、角叉菜膠、殼聚糖、 甲殼質(zhì)和藻酸鹽、或其混合物，由于其正表面電荷或負表面電荷，所述生物聚合物顆粒使所 要求保護的濾器元件具有抗菌性能和凝聚性能。此處所述凝聚是指吸引具有相反電荷物質(zhì) 的能力。這些生物聚合物廣泛存在、經(jīng)濟、且無毒，使它們成為水濾器元件的合適候選物。過 渡金屬氫氧化物或氧化物物質(zhì)由于其成本低、天然廣泛存在和環(huán)保的特性已經(jīng)被廣泛應用 于環(huán)境監(jiān)測、修復和污染預防。這些納米級的過渡金屬氫氧化物或氧化物材料的特殊性質(zhì) 源于其價態(tài)豐富、表面積大和電子結(jié)構(gòu)可變。舉一個例子，氧化鐵納米材料已顯示了可以從 廢水中成功去除有毒重金屬離子和有機污染物。因此，具有極高重金屬和VOC吸附能力的 過渡金屬氧化物納米顆粒也被包括入本發(fā)明的濾器元件中，用于提高其水凈化的性能。
[0006] 因此，本發(fā)明的第一個方面提供了一種過濾器介質(zhì)，其包含所述的生物聚合物、過 渡金屬氫氧化物或氧化物、活性炭和離子交換樹脂。離子交換樹脂包括陽離子型和陰離子 型離子交換樹脂。離子交換樹脂包括強酸性樹脂（如，聚苯乙烯磺酸鈉或POlyAMPS)，弱酸 性樹脂（具有羧酸基團的聚丙烯酸聚合物），強堿性樹脂（如，聚（丙烯酰胺基-N-丙基三 甲基氯化銨）），弱堿性樹脂（如，聚乙烯胺），或這些樹脂的混合物。生物聚合物是顆粒形 式并包括一種或多于一種通過交聯(lián)具有水不溶性的生物聚合物。生物聚合物顆粒的尺寸范 圍為從Iym到100ym。交聯(lián)的生物聚合物的例子包括殼聚糖和藻酸鹽。此處用到的交聯(lián) 生物聚合物的交聯(lián)劑的一個例子是鈣化合物。過渡金屬氫氧化物或氧化物包括羥基氧化鐵 (hydroxyironoxide,a-FeOOH)、氧化鐵和氧化銅。過渡金屬氫氧化物或氧化物也是顆粒 形式，其被從IOnm到10ym納米化并具有如片狀、球體和花狀的三維分層結(jié)構(gòu)。這些過渡金 屬氫氧化物或氧化物顆?？梢酝ㄟ^原位處理被納入生物聚合物顆粒，形成生物聚合物-金 屬氧化物顆粒，和/或作為單獨的顆粒被直接加入濾器元件。生物聚合物_金屬氧化物顆 粒的一個優(yōu)選的實施方式是殼聚糖/羥基氧化鐵/藻酸鹽（CHA)顆粒。在一個實施方式 中，本發(fā)明要求保護的濾器元件中活性炭：陽離子型離子交換樹脂：陰離子型的離子交換 樹脂：殼聚糖/羥基氧化鐵/藻酸鈉（CHA)顆粒的重量比是0-30 :35-45 :15-20 :15-20。在 另一個實施方式中，活性炭：陽離子型離子交換樹脂：陰離子型離子交換樹脂：殼聚糖/羥 基氧化鐵/藻酸鹽（CHA)顆粒的重量比是25:41:17:17。除了過渡金屬氫氧化物或氧化物， 濾器元件還可以包含例如銀、鋅和銅等金屬作為抗菌劑。
[0007] 本發(fā)明的第二個方面涉及一種本文所述濾器元件的制備方法。在一個典型的實施 方式中，該方法包含以下步驟：
[0008] (a)制備輕基氧化鐵納米顆粒；
[0009] (b)將從（a)得到的所述羥基氧化鐵納米顆粒納入殼聚糖和藻酸鹽的第一混合物 中，然后攪拌直至形成大量的殼聚糖/羥基氧化鐵/藻酸鹽（CHA)顆粒；
[0010] (C)將從（b)得到的所述CHA顆粒與活性炭、離子交換樹脂混合，形成第二混合 物；
[0011] (d)將從（C)得到的所述第二混合物添加至一個過濾器外殼中以形成濾器元件；
[0012] (e)用去離子水沖洗所述濾器元件直至濾液變澄清。
[0013] 在一個實施方式中，待納入殼聚糖/藻酸鹽混合物中形成CHA顆粒的羥基氧化鐵 納米顆粒的制備是通過將硫酸亞鐵（II) (FeSO4^H2O)溶解到體積比為7:1的水和甘油的混 合物中，攪拌該混合物至少10分鐘，隨后將該混合物轉(zhuǎn)移至高壓滅菌鍋中加熱至約120°C， 保持24小時，收集加熱過夜后形成的沉淀，以水和甘油的另一混合物洗滌所述沉淀，60°C 干燥該洗滌的沉淀；經(jīng)過所述干燥后形成羥基氧化鐵納米顆粒。
[0014] 在另一個實施方式中，將羥基氧化鐵納米顆粒納入殼聚糖/藻酸鹽的混合物中以 形成CHA顆粒的過程包括：在2wt. %的殼聚糖和0. 5wt. %的藻酸鈉的第一混合物中混合所 述羥基氧化鐵納米顆粒，隨后在攪拌條件下，將所述混合物逐滴地加入至〇. 5wt. %的氯化 鈣中，直至形成CHA顆粒。
【附圖說明】
[0015] 圖1顯示了羥基氧化鐵（a-FeOOH)顆粒的花狀或花狀夾子的3D結(jié)構(gòu)掃描電鏡 (SEM)圖像。
[0016] 圖2是描繪羥基氧化鐵（a-FeOOH)顆粒制作過程的流程圖。
[0017] 圖3