基本信息
- 项目名称：
- 新型环境友好型饮用水微污染物高效吸附剂及净水器的研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究采用壳聚糖、硅藻土和膨润土作为联合净水材料，将其以不同的比例混合，制备新型复合吸附剂。通过吸附剂比表面积、孔隙率的测定来探索最理想的饮用水微污染高效吸附剂。通过吸附动力学和吸附速率等研究来探索新型吸附剂对重金属（Pb、Cd、Cu、Zn）和酚类微污染物（苯酚、4-氯酚）的去除效果。同时，本研究分析了该吸附剂针对家用自来水的处理成本，进一步设计了使用该吸附剂的一种净水器，提高了本研究的实用性。
- 详细介绍：
- 重金属和酚类化合物污染已成为影响当前饮用水质量的主要因素。本研究利用壳聚糖、膨润土和硅藻土研发了新型复合环境友好型高效水质净化吸附剂，并通过吸附效果实验，采用BET-N2法以及电子扫描等手段分别测定吸附剂的比表面积和孔隙率来探索最理想的高效饮用水微污染吸附剂。通过吸附动力学和吸附速率等研究来探索新型吸附剂对重金属（Pb、Cd、Cu、Zn）和酚类微污染物（苯酚、4-氯酚）的去除效果。 实验结果表明：壳聚糖-硅藻土和壳聚糖-膨润土吸附剂的比表面积分别为203.6m2/g和298m2/g，孔径分布为1-20nm，属纳米材料。同时，该新型吸附剂能同时有效去除水中重金属和酚类微污染物，其对重金属（Pb、Cd、Cu、Zn）的去除效率高达90%，对酚类微污染物（苯酚、4-氯酚）则是58%-85%之间。此外，经成本效益分析可知，本新型复合吸附剂制作成本低，仅为0.16元/g，其水处理成本约为1.5元/吨。针对家用自来水处理，本研究进一步设计了基于本吸附剂的一种简易净水器，为新型吸附剂的实际推广应用提供保证，为发展安全高效的饮用水复合净化剂提供借鉴。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计、发明目的和基本思路 水体中重金属和酚类的污染在工业化进程中尤为突出。随着人们对饮用水的质量要求的提高，饮用水中重金属和挥发酚的去除成为解决居民饮用水安全的重要问题。 本研究选择壳聚糖、硅藻土以及膨润土作为联合净水材料研制新型复合吸附剂，通过吸附剂比表面积、孔隙率的测定来探索最理想的吸附剂；通过吸附动力学和吸附速率等研究来探索新型吸附剂对重金属和酚类微污染物的去除效果。此外，为缓解中国小区水源因输水管网而造成的污染问题，项目设计了基于本吸附剂的家用自来水简易净水器，为新型吸附剂的实际推广应用提供保证，为发展安全高效的饮用水复合净化剂提供借鉴。 2、作品的创新点 本新型复合吸附剂以壳聚糖、硅藻土和膨润土为基质，具有环境安全性和廉价的特点；采用物化强化与化学复合的方法，提高吸附剂的可利用性。 根据实验室测定，该新型吸附剂能同时有效去除水中重金属和酚类微污染物，其对重金属的去除效率高达90%，对酚类微污染物则是58%-85%之间。适用于微污染饮用水的终端处理，尤其针对我国老旧小区家庭使用设计了一种简易净水器，为新型吸附剂的推广应用提供了技术保证。 3、技术关键和主要技术指标 技术关键：高比表面积吸附材料的测定、纳米孔径吸附材料的测定、重金属的吸附效率、酚类微污染物的吸附效率。 主要技术指标： 高比表面积吸附材料：比表面积达200m2/g以上；纳米孔径吸附材料：孔径达纳米级；重金属的吸附效率：吸附率达80%以上；酚类微污染物的吸附效率：吸附率达60%以上。
科学性、先进性
- 1. 作品的科学性 通过BET-N2法测定可知，两种新型吸附剂具有较大的比表面积，分别为203.6m2/g和298m2/g。通过孔径分布图分析发现，两种吸附剂的孔径范围分布均在1-20nm之间，属典型的纳米材料。由吸附效果实验可知，新型吸附剂能高效去除水中的重金属（Pb、Cd、Cu、Zn），去除率均达90%以上；新型吸附剂对酚类微污染物具有一定的去除效果，苯酚和4-氯酚的去除率分别为59%和85%。 2. 作品的先进性 1）本研究选择壳聚糖、硅藻土以及膨润土作为联合净水材料研制新型复合吸附剂，成本低，经济效益高，克服了活性炭影响水的色度、不易过滤、吸附效率低等缺点。 2）该新型吸附剂比表面积较高，均大于200m2/g。同时，复合硅藻土、膨润土具有重金属螯合作用，能够同时吸附多种重金属与挥发酚，对苯酚和4-氯酚的去除率分别为59%和85%，而对重金属铅等去除率超过99%。 3）本研究针对家用自来水处理，进一步设计了基于该吸附剂的一种净水器，极大提高了本研究的实用性。
获奖情况及鉴定结果
- （1）2011年3月，第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛，学院二等奖； （2）2011年4月，第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛，校一等奖。
作品所处阶段
- 本研究目前尚处于实验室阶段。
技术转让方式
- 按照学校规定。
作品可展示的形式
- 图纸：净水器表观图 图片：新型吸附剂成品图、内部结构图等 样品：不同比例的新型吸附剂成品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 本作品研制的新型吸附剂配合净水器使用。在日常的家庭生活中使用时，将吸附剂填充到净水器中，将净水器的螺纹处与水龙头旋紧，水流过球状器皿中，与吸附剂接触，净化饮用水。 2.作品的技术特点和优势 1)所选净水材料安全无毒，其研制的新型吸附剂比表面积大，属于纳米材料，且能同时吸附多种重金属与酚类微污染物。 3)研究设计的净水器，使用方便，成本低，为新型吸附剂的推广应用以及居民生活饮用水微污染的治理提供保证。 4)本研究正在申请三项专利，技术正在逐渐成熟。 3.作品的适应范围及推广前景 本研究作品在水质净化领域有较好的发展前景，新型吸附剂能够高效吸附水中重金属和酚类微污染物，配合净水器使用，能扩大其在实际生活中的应用。 4.市场分析及经济效益预测 新型吸附剂制作成本低，仅为0.16元/g，其吨水处理的成本约为1.5元，具有明显价格优势，同时，其在使用过程中具有安全、环保、高效的特点。这能满足目前人们对饮用水处理设备和材料的高需要，扩大其在饮用水净化领域的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 近年来，由于环境污染和饮用水资源的日益破坏，饮水资源的污染已成为世界性的重要问题。我国饮用水安全同样面临着严峻的考验，其主要隐患有工业污染（残留农药、重金属、各种挥发性有机化合物等）及氯化消毒副产物等。 从研究方法看，传统的净水工艺采用混凝-沙沉-投氯消毒，该法虽能使水澄清，消除水传染病原菌，但不能有效去除有机物及病毒。而随着吸附工艺在各个领域的推广应用，吸附法成为水处理中较为成熟有效的方法之一，具有应用范围广、处理效果好、吸附剂可重复使用等特性。 从净水材料看，随着吸附法的推广应用，各种吸附材料在净水领域得到广泛地研究，研究较多的包括活性炭、活性炭纤维(ACF)、壳聚糖、离子交换树脂等。 1) 活性炭是最为常用的吸附剂，它的吸附能力强，可以有效去除水中的有机物、重金属以及异嗅异味。但活性炭对极性较大的有机小分子吸附能力较差，且其再生利用过程较为复杂。近年来，环境界越来越重视各种安全高效吸附材料的研制开发。 2) 我国ACF工业起步不久，生产规模较小。ACF能有效吸附水源水和饮用水中的有机物，特别适用于去除ppm、ppb级乃至更低浓度的水中有机物，其吸附容量比粒状活性炭高2-3倍，但其价格昂贵，限制其广泛应用。目前国内外文献尚无工业装置实际使用ACF的公开报道，大多尚处于研究阶段。 3) 壳聚糖可以有效去除三氯甲烷、二氯乙烷等具有变异性或致癌性的消毒副产物，对饮用水中的细菌也有一定的灭菌作用。日本科学工作者木船弘尔等人发现，由壳聚糖作净水剂，对除去自来水中的上述变异性及致癌性物质尤为有效。但壳聚糖在酸性条件下具有可溶性，内部结构为非多孔性等，克服这些缺陷是开发应用壳聚糖及其衍生物的重要方向。 4）树脂吸附法是近年来发展起来的一种新技术，采用高分子合成的树脂具有空隙多，比表面积大，再生方便等诸多优点。其对水中色、嗅、味及各种微量有机污染物有很高的去除效率，用树脂吸附取代活性炭吸附水源水中的有机污染物已引起广泛的关注。但是，离子交换树脂在使用过程中容易被污染，当交换基团“降解”或交联键断裂时，树脂结构遭到破换，产生不可逆的污染。目前由于树脂的生产成本和售价相对较高，工艺尚处于研究开发阶段，应用相对较少。 综上所述，国内外对饮用水的净化工艺作的研究不断加深，但饮用水污染随着工业进程的推进仍将不断恶化，高效的净水设备和净水材料的研究和开发是当前全球的急切需要。
