可透多孔復(fù)合材料的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請是申請?zhí)枮?01080044423.3、申請日為2010年8月4日、發(fā)明名稱為"可透多 孔復(fù)合材料"的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及含有鐵粒子和至少一種功能成分的復(fù)合材料。所述功能成分的粒子良 好地分布在可透多孔鐵體中。本發(fā)明還涉及制造該復(fù)合材料的方法和該復(fù)合材料用于凈化 流體的用途?？梢允褂梅勰┮苯鸱▽⒃搹?fù)合材料制成粉末形式、丸粒形式和各種其它形式。
【背景技術(shù)】
[0003] 在水進入飲用水系統(tǒng)或釋放到容器中之前，必須將各種水源中的有毒無機/有機 物質(zhì)減少至管制水平以下。
[0004] 硝酸根(N〇r)是在大量進行農(nóng)業(yè)活動的地區(qū)的地下水中發(fā)現(xiàn)的最常見的無機污染 物。硝酸根通常來自農(nóng)業(yè)和園藝中用于為植物和灌木提供營養(yǎng)素的肥料。
[0005] 可由這些活動生成的其它污染物是磷酸根(P043-)和痕量農(nóng)藥，例如莠去津。肥料 的積聚是一個問題，因為它們可穿過土壤并污染地下水系統(tǒng)。淺水井和深水井都會被影響。
[0006] 由天然來源或由工業(yè)或農(nóng)業(yè)活動生成有毒金屬，例如砷(As)、鉻(Cr)(其氧化態(tài)+6 (CrVI)被認(rèn)為最有害）、鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、硒(Se)等、其它物質(zhì)(例如氯化烴)和有時作 為總有機碳(T0C)測量的其它有機物質(zhì)。
[0007] 為了達到飲用水中可接受的污染物水平，目前使用幾種方法。
[0008] 反滲透基于滲透工藝。這涉及水從膜一側(cè)選擇性地移向另一側(cè)。反滲透的主要缺 點是生成的大量污染廢水，其可高達引入水的50至90%。隨時間經(jīng)過，由于鐵、鹽和細(xì)菌積 聚在膜表面上，發(fā)生膜孔隙的堵塞。這不僅影響反滲透系統(tǒng)的性能，還會造成水的細(xì)菌污 染。這種技術(shù)也非常耗能。
[0009] 也使用蒸餾法。硝酸鹽和其它礦物質(zhì)富集在煮沸鍋中。這種方法的缺點包括消耗 的能量(為使水沸騰）、有限能力和經(jīng)常維護。
[001 0]離子交換法經(jīng)由珠狀球形樹脂材料(離子交換樹脂)過濾水。水中的離子與固定在 珠上的其它離子交換。兩種最常見的離子交換法是軟化和去離子。離子交換技術(shù)還生成有 害的含鹽廢水，其需要沉積。去離子(DI)系統(tǒng)有效除去離子，但它們不有效除去大多數(shù)有機 物或微生物。微生物可附著到樹脂上，為快速細(xì)菌生長和然后的熱原生成提供培養(yǎng)基。這種 技術(shù)具有低初始投資但高的長期運行成本。
[0011]美國專利公開NO.2007/0241063A1描述了用含有鐵、碳和氧的鐵粉顆粒處理被揮 發(fā)性有機化合物污染的水的方法。在US2007/0241063A1中在霧化過程中將碳添加到鐵粉顆 粒上，并且不施以任何混合工藝。這在粉末冶金領(lǐng)域中常被稱作"預(yù)合金"法。
[0012]美國專利No. 5534154描述了處理污染水的程序，其中使含有溶解的污染物的水經(jīng) 過包含與金屬粒子物理混合的吸附材料粒子的可透處理材料體。該專利中提到的鐵金屬粒 子是通常為固體顆粒形式的鐵填充料。該程序要求負(fù)Eh電壓，這又要求除氧。
[0013] US6827757描述了具有0.05-10微米的極小平均粒度的磁鐵礦-鐵基復(fù)合材料。
[0014] EP1273371A2描述了一種鐵粉，其適合通過在包含鐵粉粒子和無機化合物的介質(zhì) 中將鹵代烴脫鹵來修復(fù)所選介質(zhì)。所述無機化合物應(yīng)具有非常低的電阻率，優(yōu)選選自Ca、 Ti、V和Cr。所述無機化合物應(yīng)存在于各粒子的至少一部分表面上。
[0015] 發(fā)明概述
[0016] 本發(fā)明的一個目的是提供包含鐵體的可透多孔復(fù)合材料，其適合流體、尤其是液 體(例如水）的污染物凈化。該復(fù)合材料可用于流體處理，例如飲用水處理，廢水處理，例如 城市和工業(yè)廢水處理，以及用于土壤修復(fù)。該可透多孔復(fù)合材料還具有良好地分布和鎖定 在鐵體孔隙中的游離形式的功能成分。術(shù)語"鎖定"是指使功能成分粒子附著到鐵體上以致 它們在凈化過程中不會被流體從該鐵體上除去的效果。本發(fā)明的另一目的是提供制造鐵基 復(fù)合材料的方法。
[0017] 本發(fā)明的另一目的是提供凈化液體(例如水）中的污染物而不生成有害廢品的方 法。
[0018] 本發(fā)明的另一優(yōu)選目的是提供用于減少水中、尤其是要用作飲用水的水中的硝酸 鹽的產(chǎn)品和方法。
[0019] 本發(fā)明涉及用于處理被污染流體的多孔和可透復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材 料包含鐵粒子體和0.01-10重量％的分布和鎖定在鐵體的孔隙和空穴中的至少一種功能成 分。當(dāng)處在原始狀態(tài)或者鐵粒子已被形成為不同形狀(鐵體)時，鐵粒子體應(yīng)被解釋為粒子 體。
[0020] 可透多孔復(fù)合材料包含0.01重量％-10重量％的至少一種功能成分，該功能成分 優(yōu)選選自由含碳化合物、含鈣化合物、含鈉化合物、含鐵化合物、含鈦化合物和含鋁化合物 組成的組;優(yōu)選地，所述含碳化合物選自石墨、活性炭(AC)和焦炭;所述含鐵化合物選自硫 酸鐵或硫酸亞鐵、鐵氧化物和鐵氫氧化物;所述含鈦化合物是二氧化鈦;且所述含鋁化合物 選自氧化鋁、活性氧化鋁和硅酸鋁，例如沸石;所述含鈉化合物是蘇打;所述含鈣化合物是 石灰；優(yōu)選地，所述功能成分選自石墨、活性炭、焦炭、活性氧化鋁和沸石的組，最優(yōu)選選自 石墨、活性炭、焦炭的組。任選地，可根據(jù)要處理的污染物選擇在提到的類別外的其它功能 成分。所有功能成分應(yīng)鎖定和良好地分布在可透多孔鐵體中。
[0021] 本發(fā)明還涉及制造例如用于水處理的可透多孔復(fù)合材料的方法?？梢允褂闷胀ǚ?末冶金技術(shù)將所述復(fù)合材料制成各種形狀，例如粉末、碎肩、薄片、塊或丸粒。
[0022] 制造用于處理被污染流體的多孔和可透復(fù)合材料的方法，包括下述步驟:將代表 鐵體的鐵粒子與以0.01-10重量％的量存在的至少一種功能成分機械混合，直至該功能成 分通過機械力分布到鐵體中并被鎖定;任選地，在惰性或還原氣氛中在300至1200°C的溫度 熱處理含或不含所述至少一種功能成分的鐵體;任選地，將含或不含所述至少一種功能成 分的鐵體壓制成具有等于或低于7.0克/立方厘米的生坯密度的壓實體;和/或任選地，篩分 含或不含所述至少一種功能成分的所述鐵體，其中所述步驟可以以任選次序進行。
[0023] 本發(fā)明還涉及根據(jù)任何前述權(quán)利要求的可透多孔復(fù)合材料用于降低流體中的污 染物含量的用途，其中使所述流體穿過該可透復(fù)合材料。所述流體可以是含水流體，優(yōu)選地 下水、河水、工業(yè)廢水、市政廢水和/或地表水。所述流體可以在根據(jù)本發(fā)明的凈化處理后用 作飲用水。所述污染物可選自由硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬、例如4 8、？13、取、0(1、36、(>和六價 Cr、其它有毒無機物質(zhì)和有毒有機化合物組成的組;或其組合;優(yōu)選硝酸鹽和/或亞硝酸鹽。 [0024]發(fā)明詳述
[0025]本發(fā)明的可透和多孔復(fù)合材料包含多孔鐵和按重量計0.01-10 %、優(yōu)選0.05-8 %、 優(yōu)選0.1-5 %的至少一種功能成分的混合物，所述功能成分可選自焦炭、石墨、活性炭、鐵氧 化物、鐵氫氧化物、二氧化鈦、氧化鋁、活性氧化鋁、沸石、石灰、蘇打、硫酸鐵或硫酸亞鐵，優(yōu) 選選自焦炭、石墨、活性炭、活性氧化鋁和沸石的組。根據(jù)該可透多孔鐵的孔隙和空穴尺寸， 所述功能成分在本發(fā)明的一些實施方案中可具有小于20微米、優(yōu)選小于10微米的粒度，在 另一些實施方案中該功能成分的粒度可以小于10微米，優(yōu)選小于5微米。其粒度高于大約 0.02微米。
[0026]本文中公開的詞語"可透"的使用應(yīng)被解釋為復(fù)合材料或鐵粉或體被構(gòu)造成其被 滲透或穿透，尤其被液體或氣體滲透或穿透。本文中公開的詞語"多孔"的使用應(yīng)被解釋為 復(fù)合材料或鐵粉或體被構(gòu)造為其允許氣體或液體通過孔隙或間隙。因此，本發(fā)明的可透和 多孔復(fù)合材料包含位于該復(fù)合材料的孔隙和空穴內(nèi)的所述至少一種功能成分。該復(fù)合材料 的鐵部分，鐵體，可以由本身多孔的鐵粉或鐵粒子制成?；蛘?，使用鐵粉或粒子的壓實和/或 熱和任選篩分的制備鐵體，多孔和可透鐵結(jié)構(gòu)。
[0027]將該鐵粒子或粉末與功能成分混合，產(chǎn)生本發(fā)明的復(fù)合材料。也可以先將鐵粉與 功能成分混合，然后壓實和/或熱處理，任選地之后篩分至所需尺寸。或者，可以在將鐵粉與 功能成分混合之前將鐵粉壓實和/或熱處理，任選地之后篩分至所需尺寸。
[0028]所有功能成分應(yīng)鎖定和良好地分布在可透多孔鐵體或鐵結(jié)構(gòu)中。該功能成分為游 離