铝化硅质粉末和包含其的水纯化装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅质材料、金属铝和水溶液组成的反应产物。该反应产物可用于形成用于纯化水中诸如生物物质、染料、可溶金属、砷、或放射性元素的污染物的吸附剂。可向反应产物加入添加剂，以进一步改善吸附剂的吸附质量。还公开了具有该吸附剂的水纯化装置。
【专利说明】铝化硅质粉末和包含其的水纯化装置 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求2012年6月27日提交的美国临时专利申请第61/665,099号的优先 权，其通过引用包含在本文。
【背景技术】
[0002] 已知诸如硅藻土和珍珠岩的硅质材料用于纯化水的应用。硅质材料通过粒径进行 工作，排除粒径大于硅质材料制成的涂层或过滤器孔径的颗粒。硅质材料是惰性的，这意味 着它们不能官能化。
[0003] 因此，存在对于可除去小于硅质涂层或过滤器中形成的孔径的污染物、并可被官 能化的吸附材料的需求。
【发明内容】
[0004] 在一个实施方式中，公开了一种反应产物。该反应产物从一种混合物制得，该混合 物包括（a)硅质粉末、（b)金属铝、和（C)水溶液。在实施方式中，所述硅质粉末可包括硅 藻土、珍珠岩、云母、蛭石、砂、煅烧复合物、或它们的组合。在实施方式中，所述金属铝可为 粉末、片肩、或它们的组合。在实施方式中，所述水溶液可为酸性的。在实施方式中，所述水 溶液可为碱性的。
[0005] 在一个实施方式中，吸附剂包括公开的所述反应产物。
[0006] 在一个实施方式中，公开了水的纯化方法。在一个实施方式中，纯化方法包括：通 过用一定量的水混合吸附剂以形成液体悬浮液、以及从所述液体悬浮液中分离一定量的纯 化水。
[0007] 在一个实施方式中，公开了吸附剂的制备方法。在一个实施方式中，制备方法包 括：在（iii)水溶液中混合（i)硅质粉末和（ii)金属铝，加热该混合物至60°C至80°C的温 度以形成反应产物，以及将所述反应产物中和至pH为6. 0至8. 0。
[0008] 在一个实施方式中，公开了从水源中除去污染物的装置。所述装置包括吸附室，该 吸附室构造并设置为储存包括反应产物的吸附剂，该反应产物由包含硅质粉末、金属铝和 水溶液的混合物形成，所述吸附室进一步构造并设置与水源连通、并用所述吸附剂与一定 量的水源混合以形成液体悬浮液；以及分离元件，该分离元件构建并设置为从所述吸附室 接收液体悬浮液，并且进一步构建并设置为从所述液体悬浮液分离一定量的纯化水，其中 所述分离元件包括构建并设置为喷射至少部分所述纯化水的端口。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 结合附图，本发明公开的吸附剂的目的、特征和优点将参考以下公开的信息更容 易地理解。
[0010] 图1是用于从水源除去污染物的装置的一个实施方式的原理图。
[0011] 图2是用于从水源除去污染物的装置的另一实施方式的原理图。
[0012] 图3生动描述根据过滤后的水的电阻率函数的吸附剂的一个实施方式的交互电 动电势。
[0013] 图4生动描述根据过滤后的水的电阻率函数的吸附剂的一个实施方式的电动电 势。
[0014] 图5生动描述氧化石墨烯官能化的吸附剂的一个实施方式的去除率。
[0015] 图6生动描述用吸附剂的一个实施方式从RO水除去砷V。
【具体实施方式】
[0016] 为了以下【具体实施方式】，除另有明确相反说明外，应理解为本发明可具有各种替 换变量和步骤顺序。此外，除任意操作实例中、或另有说明，例如说明书和权利要求中使用 的材料数量的所有数字表示将被理解为在所有情况下由术语"约"修饰。由此，除另有相反 说明，在以下说明书和附属的权利要求中列出的数值参数是近似值，其可根据将通过本发 明获得的所需的性能而变化。至少地，并且不试图限制等同原则应用于权利要求书的范围， 每一数值参数应至少根据所述的有效数位、并通过常规凑整法的数字被理解。
[0017] 尽管阐述本发明的广义范围的数值范围和参数为近似值，但具体实施例中给出的 数值尽可能精确报道。然而，任何数值由于其相应的试验测量中的标准变量中导致而本身 必然含有一定的误差。
[0018] 同样，应理解为本文所述的任何数值范围将包括所有归入其中的子区间。例如，"1 至10"的范围将包括所述的最小值1和所述的最大值10之间（且含端点）的所有子区间， 也就是说，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。
[0019] 在本申请中，除另外特别指出，使用的单数包括复数和复数包含的单数。此外，在 本申请中，除另外特别指出，使用的"或"是指"和/或"，即使"和/或"可能在一些例子中 明确使用。
[0020] 在本申请中，除另行进行相反说明，当陈述反应产物或吸附剂"基本不含"特定成 分时，是指如果有的话，所讨论的材料作为附带杂质存在于反应产物或吸附剂中。换句话 说，该材料不是故意加入到反应产物或吸附剂中的，但由于其由反应产物或吸附剂的准备 加入的成分的一部分被作为杂质引入，可能以微小或无关紧要的水平存在。
[0021] 如本文所用，"天然有机物"是指植物的自然降解产物。
[0022] 在一个实施方式中，公开了一种反应产物，其用于形成用于水的纯化的吸附剂。换 句话说，该吸附剂用于从水源除去污染物，例如，从城市饮用水或废水、被炼油或石油或气 体钻井污染的水源、工业或制药设施中使用的水源除去污染物，或者从核反应堆中水源除 去放射性同位素。因此，水源的非限制性实例包括，但不仅限于，城市饮用水、城市废水、以 及工业、制药或核电站中水源。污染物的非限制性实例包括，但不仅限于，诸如铅、氧化铅的 可溶性有毒金属，可溶染料，诸如溢油和乳化油的油，致癌物，砷，诸如细菌、病毒、天然有机 物、细胞残骸的生物材料，或它们的组合。污染物可具有任意粒径，包括具有从〇. 0003ym 至3ym的粒径的污染物，例如从0. 1ym至2ym，例如从0. 2ym至1ym。
[0023] 在一个实施方式中，反应产物由包括硅质粉末、金属铝和水溶液的混合物中形成。 在一个实施方式中，金属铝可与水在水溶液中反应，以形成氧化铝/氢氧化铝和氢气。在一 个实施方式中，反应产物包括至少部分涂覆氧化铝/氢氧化铝的硅质粉末颗粒。
[0024] 在一个实施方式中，娃质粉末由娃质矿物组成。在一个实施方式中，娃质矿物可以 是硅藻土、珍珠岩、云母、蛭石、砂、煅烧复合物、或它们的组合。在一个实施方式中，硅质材 料可由具有以下粒径的颗粒组成：从〇? 25ym至100ym，例如从0? 5ym至80ym，例如从 5ym至 50ym，例如从 10ym至 25ym〇
[0025] 在一个实施方式中，硅质粉末在混合物中按重量计可占硅质粉末和金属铝总重的 60至98 %的重量范围的量。在另一实施方式中，娃质粉末在反应混合物中按重量计可占 硅质粉末和金属铝总重的70至90%重量范围的量，例如占硅质粉末和金属铝总重80至 85%〇
[0026] 在一个实施方式中，金属铝可以是粉末、片肩、或它们的组合。在另一实施方式中， 金属铝不是盐。
[0027] 在一个实施方式中，金属铝在混合物中按重量计可占硅质粉末和金属铝总重的3 至40%重量范围的量。在另一实施方式中，金属铝在混合物中按重量计可占硅质粉末和金 属铝总重的10至35%重量范围的量。在另一实施方式中，金属铝在混合物中按重量计可占 基于硅质粉末和金属铝总重的15至25%的重量范围的量。
[0028] 在一个实施方式中，硅质粉末与金属铝的重量比可为从40:1至1. 5:1。
[0029] 在一个实施方式中，相对于混合物中的硅质粉末和金属铝的量，向混合物加入过 量水溶液。在一个实施方式中，水溶液可为碱性的，并且可为，例如，氢氧化钠、氢氧化钾、氨 水、氢氧化铵、或它们的组合。在一个实施方式中，加入混合物的水溶液的量可足以使混合 物具有pH9至14,例如从10至13、例如从11至12。
[0030] 在一个实施方式中，水溶液可为酸性的，并且可为，例如矿物酸、硝酸、硫酸、盐酸、 氢氟酸、或它们的组合。在一个实施方式中，加入混合物的水溶液可足以使混合物具有PH0 至4,例如从1至3. 5、例如从2. 5至3. 5。
[0031] 在一个实施方式中，混合物可进一步包括铁、氧化铁、氢氧化铁、石墨烯、氧化石墨 烯、或它们的组合。
[0032] 在一个实施方式中，反应产物可包括可由官能团修饰的聚合物涂层，包括例如，但 不仅限于，醇、芳香环、烷烃、醛、羧酸、S旨、或它们的组合。
[0033] 在一个实施方式中，反应产物可用于形成吸附剂。
[0034] 在一个实施方式中，吸附剂的制备方法包括从混合物形成反应产物的步骤。在一 个实施方式中，形成反应产物的步骤包括如上所述的混合硅质粉末、金属铝和酸性或碱性 水溶液。混合步骤在常压下实施。混合后，混合物加热至从25°C至KKTC的温度，例如从 50°C至90°C，例如从60°C至80°C，以形成反应产物。反应产物的pH随后中和至pH6至8。 反应产物的pH大于8的实施方式中，反应产物可用酸中和至pH6至8。合适的酸可为，例 如，诸如盐酸、硝酸或硫酸的无机酸，诸如乙酸的有机酸，或它们的组合。在反应产物的pH 值小于6的其他实施方式中，反应产物用碱中和至pH为6至8。合适的碱可为，例如，氢氧 化钠、氢氧化钾、氨水、或它们的组合。在中和pH后，反应产物随后被过滤或倾析以从流体 中分离固体物质或污泥。
[0035] 在一个实施方式中，污泥形成用做吸附剂的浆料。
[0036] 在一个实施方式中，污泥随后被干燥并粉碎，以形成吸附剂。在实施方式中，污泥 在以下温度下干燥：从室温至100°c，例如50至80°C，例如60至75°C。随后使用任何合 适的、本领域技术人员已知的机械，应用机械力粉碎污泥。在一个实施方式中，污泥被干磨(dry-mill)〇
[0037] 在一个实施方式中，混合物进一步包括有机或无机材料，例如，诸如铁、氧化铁、氢 氧化铁、石墨烯、氧化石墨烯、或它们的组合。在一个实施方式中，可在水溶液中混合硅质粉 末和金属铝前，向混合物加入有机或无机材料。在另一实施方式中，可在水溶液中混合硅质 粉末和金属错后，即用金属错涂覆娃质粉末后，向混合物加入有机或无机材料。
[0038] 在一个实施方式中，形成的吸附剂可以是分散在水溶液中的浆料、粉末或块状。在 一个实施方式中，吸附剂可基本不含纤维。在一个实施方式中，吸附剂不是锍（matte)。
[0039] 在一个实施方式中，吸附剂具有大于0的电动电势，例如，+3mV至+81mV、例如 +25mV至 +60mV。
[0040] 在一个实施方式中，公开了一种用于从水溶液除去污染物的装置。该装置可具有 包含上述反应产物的吸附剂。在一个实施方式中，水源中一定量的水接触吸附剂，随后从流 体中进行颗粒的相分离。在实施方式中，相分离可通过过滤或消耗颗粒与纯化溶液间的不 同密度完成。在一个实施方式中，装置对很多污染物可具有高容量和高速的截留。在实施 方式中，装置可以以高于传统过滤装置多个数量级过滤诸如MS2病毒的微生物材料。在实 施方式中，装置可省略传统过滤系统中使用硅藻土用于预涂层的需要。在其他实施方式中， 装置可包括硅质材料制成的预涂层。在实施方式中，吸附剂可用于过滤很多污染物，而不仅 是已知的传统硅藻土预涂层法中的短期（2-4天）分批处理法。在一个实施方式中，用于形 成吸附剂的反应器可与含有污染物的混合室以及分离装置连接。
[0041]如图1所示的一个实施方式中，装置具有吸附剂（1)和主体加料槽（2)。吸附剂 (1)由如上所述有反应产物制成。吸附剂（1)和污水（3)的加料可泵入主体加料槽（2)。 具有螺旋叶片（4)的搅拌器混合吸附剂（1)和污水（3)的水流。排出物（5)通过切向进料 管（6)注入水力旋流器（7A)。通过端口（8)提取纯化水时，吸附剂（1)在水力旋流器（7A) 的内部边缘沉淀并积聚成污泥。在一个实施方式中，装置具有连续运行的附加水力旋流器 (7B，7C)。在水力旋流器（7B，7C)中，通过端口（9)提取污泥。
[0042] 图2中简要示出装置的另一实施方式。随着未净化的水通过管⑶的泵入，槽（1) 中吸附剂被加入反应室（2)。通过管（4)将反应的吸附剂泵入圆锥形沉降室。随着进入沉 降区（5)，流体的流速显著降低，以使部分消耗的吸附剂在沉降时进一步反应。干净的水通 过倾析槽（6)流出。吸附剂在单元底部中大量沉积后，其可作为污泥（7)洗去或用固体刮 板臂⑶刮除。
[0043] 在一个实施方式中，公开了水的纯化方法。在一个实施方式中，吸附剂与一定量的 水溶液混合以形成液体悬浮液，并且一定量的纯化水从液体悬浮液中分离。分离步骤可通 过旋风分离器、重力、离心机、过滤器、或它们的组合完成。
[0044] 通过以下实例说明本发明，这些实例不被认为它们的细节是对本发明的限制。除 另有说明，实施例以及整个说明书中所有的部分和百分率按重量计。 实施例
[0045] 如这些实施例中所用，"DE"是指硅藻土粉末。
[0046] 如这些实施例中所用，"PE"是指珍珠岩粉末。
[0047] 如这些实施例中所用，"DEAL"是指如下面实施例1A和1B中描述的包含金属铝涂 覆的娃藻土的反应产物。
[0048] 如这些实施例中所用，"PEAL"是指如下面实施例1A和1B中描述的包含金属铝涂 覆的珍珠岩的反应产物。 实施例1A:在碱溶液中用金属铝涂覆硅质粉末
[0049] 如表1中所示，以硅藻土或珍珠岩形式的硅质粉末（140g至1400g)分散在4升RO 水中，并且常压下在存在40mL的10MNaOH的8L不锈钢锅中分别与17. 5g至175g的微米 级错粉末（AtlanticEquipmentEngineers公司获得）反应。用装配有直径5cm叶轮的气 动搅拌器以300RPM的转速混合的条件下，在常压下加热悬浮液至其沸点。悬浮液被冷却至 40-50°C，用10%的硫酸中和至pH为6-8,倾析，在100°C干燥过夜，压碎并用机械摇动器过 170目筛进行筛分。 实施例1B:在酸溶液中用金属铝涂覆硅质粉末
[0050] 如表1所示，以硅藻土或珍珠岩形式的硅质粉末（140g)分散在4升R0水中，并且 常压下在存在30mL的95-98%硫酸和15mL的70%硝酸的8L不锈钢锅中与17. 5g微米级 错粉末（AtlanticEquipmentEngineers公司获得）反应。用装配有直径5cm叶轮的气动 搅拌器以300RPM的转速混合的条件下，在常压下加热悬浮液至其沸点。悬浮液被冷却至 40-50°C，用1MNaOH中和至pH为6-8,倾析，在100°C干燥过夜，压碎并用机械摇动器过170 目筛进行筛分。 表1-DEAL和PEAL粉末的组合和性质
【权利要求】
1. 一种从混合物制得的反应产物，该混合物包括（a)硅质粉末、(b)金属铝和（c)水溶 液。
2. 权利要求1所述的反应产物，其中所述硅质粉末按重量计占基于（a)加（b)重量的 60至98%的量。
3. 权利要求1所述的反应产物，其中所述硅质粉末包括硅藻土、珍珠岩、云母、蛭石、 砂、煅烧复合物、或它们的组合。
4. 权利要求1所述的反应产物，其中所述金属铝是粉末、片肩、或它们的组合。
5. 权利要求1所述的反应产物，其中所述金属铝按重量计占基于（a)加（b)重量的3 至40%的量。
6. 权利要求1所述的反应产物，其中所述反应产物包括氧化-氢氧化铝。
7. 权利要求1所述的反应产物，其中所述硅质粉末与所述金属铝的重量比是从40:1至 1. 5:1〇
8. 权利要求1所述的反应产物，其中所述反应混合物的pH是9至14。
9. 权利要求1所述的反应产物，其中所述反应混合物的pH是0至4。
10. 权利要求1所述的反应产物，其中所述反应混合物进一步包括铁、氧化铁、石墨烯、 氧化石墨烯、或它们的组合。
11. 包括权利要求1所述的反应产物的吸附剂。
12. 水的纯化方法，该方法包括： (a) 通过用一定量的水混合权利要求11的所述吸附剂，形成液体悬浮液； 以及 (b) 从所述液体悬浮液分离一定量的纯化水。
13. 权利要求12所述的纯化方法，其中所述分离通过旋风分离器、沉降池、离心机、或 过滤器完成。
14. 吸附剂的制备方法，该方法包括如下步骤： (a) 在（iii)水溶液中混合（i)娃质材料和（ii)金属错； (b) 加热混合物至60°C至100°C的温度，以形成反应产物； (c) 中和所述反应产物至pH为6. 0至8. 0 ;以及 (d) 从水溶液中倾析所述反应产物。
15. 权利要求14所述的制备方法，该方法进一步包括： (e) 在低于250°C的温度下干燥倾析后的反应产物；以及 (f) 粉碎并筛分所述反应产物。
16. 权利要求14所述的方法，其中所述硅质材料包括硅藻土、珍珠岩、云母、蛭石、砂、 煅烧复合物、或它们的组合。
17. 权利要求14所述的方法，其中所述水溶液是酸性的。
18. 权利要求14所述的方法，其中所述水溶液是碱性的。
19. 从水源除去污染物的装置，该装置包括： 吸附室，该吸附室构造并设置为储存包括反应产物的吸附剂，该反应产物从包含硅质 粉末、金属铝和水溶液的混合物中形成，所述吸附室进一步构造并设置与水源连通、并用所 述吸附剂与一定量的水源混合以形成液体悬浮液；以及 分离元件，该分离元件构建并设置为从所述吸附室接收所述液体悬浮液，并且进一步 构建并设置为从所述液体悬浮液分离一定量的纯化水，其中，所述分离元件包括构建并设 置为喷射至少部分所述纯化水的端口。
20. 权利要求19所述的装置，其中所述硅质材料包括硅藻土、珍珠岩、云母、蛭石、砂、 煅烧复合物、或它们的组合。
21. 权利要求19所述的装置，其中所述分离元件包括旋风分离器、沉降池、离心机、过 滤器、或它们的组合。
22. 权利要求21所述的装置，其中所述过滤器是深层滤芯、膜滤器、压滤机、板框过滤 器、叶滤机、管式过滤器、微媒体、砂滤器、或它们的组合。
【文档编号】C02F1/28GK104507548SQ201380034666
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年6月10日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】列奥尼德·A·凯尔汀, 弗雷德里克·泰普, 塔蒂亚娜·G·凯尔汀 申请人:阿尔戈耐德公司