一种滤芯和含有该滤芯的净水杯

摘要

本发明属于户外用品领域，尤其涉及一种滤芯和含有该滤芯的净水杯。所述滤芯由四层过滤层组成，由上至下分别为负载含银的介孔分子筛活性炭纤维滤层，有机离子负载沸石及纳米金属簇材料复合滤层，壳聚糖麦饭石复合滤层以及陶瓷碱性球滤层。含有上述滤芯的便携式可加热净水杯结构包括上下两个杯体，体积小巧，净水能力强，使用方便，完全能够在减轻人们负重的前提下，满足人们对洁净饮水的需求。

权利要求

1. 一种滤芯，其特征在于，所述滤芯由四层过滤层组成，由上至下分别为负载含银的介孔分子筛活性炭纤维滤层、有机离子负载沸石及纳米金属簇材料复合滤层、壳聚糖麦饭石复合滤层和陶瓷碱性球滤层，所述的有机离子负载沸石及纳米金属簇材料复合滤层制备方法如下：a. 将天然沸石进行酸洗刻蚀后，然后与质量为天然沸石质量9%~16%的聚合氯化铝混合升温至320~350℃，用烧蚀工艺处理；

b.向每克a步骤所得产物中加入质量浓度为4~5g/L的十六烷基三甲基溴化铵3~4mL，瓶装密封后放入振荡速度为100~120r/min的恒温水浴振荡器中，在35~50℃进行离子交换反应1.5~2.5h；

c.将b步骤所得的产物用去离子水浸泡、冲洗，然后放入马弗炉中复焙烧失：温度

200~240℃，时间1.5~2h，自然冷却后得到粉末状有机离子负载沸石；

d.将c步骤所得的产物按4:1的质量比与纳米金属簇净水材料混合均匀，然后在

200～220℃压制为1.5～2mm厚，截面直径70~75mm的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得有机离子负载沸石及纳米金属簇净水材料复合滤层。

2.如权利要求1所述一种滤芯，其特征在于，所述的壳聚糖麦饭石复合滤层制备方法如下：a.将麦饭石浸泡于0. 1～0.3 mol/L的HCl溶液24 h，过滤后用离子水洗至中性并干燥，粉碎至60~80目；

b.用体积分数为1%～3%的醋酸溶液溶解脱乙酰度为90% 的壳聚糖,制成0.01g/mL的壳聚糖溶液；

c.将a步骤所得产物与b步骤所得产物混合至糊状，在100 ~120℃条件下干燥，粉碎至180～200目后，在200～220℃压制为1.5～2cm厚的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得壳聚糖麦饭石复合滤层。

3.含有权利要求1-2任一所述滤芯的净水杯。

4.如权利要求3所述净水杯，其特征在于：所述净水杯包括螺纹连接的上、下杯体，上杯体顶部与杯盖螺纹连接，杯盖顶部设有顶盖，顶盖包括打气装置，打气装置通过杯盖上的通气孔与上杯体连通，上杯体底部设有滤芯，滤芯上设有气密芯，上杯体和下杯体通过气密芯和滤芯连通，滤芯下端与加热装置连接。

5.如权利要求4所述的净水杯，其特征在于：所述的顶盖顶部中心固设有指南针，顶盖顶部还设有半环形凹槽，顶盖两端与半环形拉环两端连接，半环形拉环与半环形凹槽间隙配合，顶盖与半环形拉环连接处的外壁上设有凸台，杯盖上设有直径上小下大的阶梯孔槽，阶梯孔槽上两端设有凹槽，凹槽与凸台间隙配合。

6.如权利要求4所述的净水杯，其特征在于：所述的滤芯下端还设有温度传感器，上杯体内顶端设有距离传感器，上杯体内壁上设有数据处理装置，数据处理装置与设置在上杯体外壁上的显示装置连接，温度传感器和距离传感器分别与数据处理装置连接。

7. 如权利要求4或6所述的净水杯，其特征在于：加热装置包括内置电池和加热电阻，上杯体上设有USB接口， USB接口输出端与内置电池连接，内置电池分别与加热电阻、数据处理装置、温度传感器、显示装置和距离传感器连接。

8.如权利要求7所述的净水杯，其特征在于：所述的内置电池外设有防水壳体。

说明书

一种滤芯和含有该滤芯的净水杯

技术领域

[0001] 本发明属于户外用品领域，尤其涉及一种滤芯和含有该滤芯的净水杯。

背景技术

[0002] 水作为人类的生命之源，有着不可替代的作用，而水质污染却日益严重。我国70%的河流湖泊遭到不同程度的污染，3亿多人的饮水呈现不安全的状态。而如今随着生活水平的提高，越来越多的人们选择走出家门，去户外感受大自然的独特魅力。当人们进行户外活动时，往往会出现自带饮水不足的状况，在极端自然灾害应急情况下，由于条件限制，人们不能将野外的水源完全洁净后饮用，不能有效地隔离水中的细菌、重金属离子等对人体有害的物质，易造成人们饮水后生病，严重时危及生命安全。国内外众多的净水杯产品中，滤芯材料一般选用粒状活性炭等一种或几种活性材料，将这些材料直接经简单组合后装在净水器内，这样做虽然可以去除重金属、农药、有机物，却不能有效灭菌，因为细菌会在这类吸附材料上富集繁殖，为了灭菌，需要对活性材料进行渗银或加氯、加碘处理，这样会带来二次污染，并且工艺复杂；目前净水杯的滤芯选用KDF作为滤料以达到灭菌的目的，但KDF在使用过程中容易板结成块，使压损增大，从而影响水的流速和净水效果，而且出水的铜、锌离子浓度增加较多。而净水器中如果添装多孔陶瓷滤芯或经烧结的多孔高分子材料，中空纤维滤膜等，虽然可以阻隔部分细菌，却不能有效地去除重金属、农药、有机物等有害物质；有些滤芯采取多级处理，使用多种材料以弥补前述滤芯的缺陷，但这种滤芯的结构复杂，价格高昂。不仅如此，净水杯杯体结构比较简单，多是有加压装置和滤芯简单组合而成，即使有的杯子设计流量检测方法，但是方法比较粗糙。总体来说，现在的净水杯并不理想。如何在复杂，尤其是紧急的情况下实现野外水净化，一直是目前研究的热点。

发明内容

[0003] 为了克服现有技术不足，本发明提供了一种滤芯和含有该滤芯的净水杯。本发明结构简单，体积小巧，净水能力强，使用方便，完全能够在减轻人们负重的前提下，满足人们对洁净饮水的需求。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

[0005] 一种滤芯，所述滤芯由四层过滤层组成，由上至下分别为负载含银的介孔分子筛活性炭纤维滤层、有机离子负载沸石及纳米金属簇材料复合滤层、壳聚糖麦饭石复合滤层和陶瓷碱性球滤层。

[0006] 所述的负载含银的介孔分子筛活性炭纤维滤层的活性炭纤维有超过一半的碳原2
子位于其内表面和外表面，一般比表面积可达1000m/g以上，构型以微孔为主，具有强度高、耐高温、不易粉化、洗脱速度快、加工成型好、耐酸碱腐蚀、再生性能好、对环境友好等特点。载银介孔分子筛的活性炭纤维具有吸附和灭菌的双重功能，且分子筛可以提高载银活性炭纤维的耐水冲刷性能。

[0007] 所述的真空浸渍加热分解的步骤如下：

[0008] 先将a步骤所得产物置于真空环境中，然后在真空环境下与AgNO3溶液混合，搅拌或静置1~5h后，在240~270℃下烘干焙烧制得，载银质量为介孔分子筛活性炭纤维质量的4.8~6.4%的负载含银的介孔分子筛活性炭纤维。

[0009] 优选的，所述的有机离子负载沸石及纳米金属簇净水材料复合滤层制备方法如下：

[0010] a. 将天然沸石进行酸洗刻蚀后，然后与质量为天然沸石质量9%~16%的聚合氯化铝混合升温至320~350℃，用烧蚀工艺处理；

[0011] b.向每克a步骤所得产物中加入质量浓度为4~5g/L的十六烷基三甲基溴化铵3~4mL，瓶装密封后放入振荡速度为100~120r/min的恒温水浴振荡器中，在35~50℃进行离子交换反应1.5~2.5h；

[0012] c.将b步骤所得的产物用去离子水浸泡、冲洗，然后放入马弗炉中复焙烧失：温度200~240℃，时间1.5~2h，自然冷却后得到粉末状有机离子负载沸石；

[0013] d.将c步骤所得的产物按4:1的质量比与纳米金属簇净水材料混合均匀，然后在200～220℃压制为1.5～2mm厚，截面直径70~75mm的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得有机离子负载沸石及纳米金属簇净水材料复合滤层。

[0014] 天然沸石具有大的比表面积和可交换的层间阳离子，因而具有较好的吸附和离子交换性能，而负载有机离子的沸石对有机物的吸附能力大大增加。 纳米金属簇净水材料又称纳米KDF，既有丰富的孔道和大的比表面积，又有强氧化还原性的活性组分。水中的余氯、有害重金属离子等污染物被其吸附到滤料的表面和孔道中，在纳米铜锌金属簇的作用下，有害重金属离子如Pb, Cd, Cr被还原成不溶于水的金属，余氯被还原成氯离子，有机污染物等在这些微原电池上发生反应，被氧化降解为无害物质。 反应过程中产生的电位变化，有很好的抑菌作用，可以抑制负载有机离子的沸石中细菌滋生。

[0015] 酸洗刻蚀是将刻蚀材料浸泡在酸性腐蚀液内进行腐蚀的技术，主要通过稀释的酸在较为平整的天然沸石上刻出绒面，从而增加光程，减少光的反射，它是一种纯化学刻蚀。

[0016] 优选的，所述的壳聚糖麦饭石复合滤层制备方法如下：

[0017] a.将麦饭石浸泡于0. 1～0.3 mol/L的HCl溶液24 h，过滤后用离子水洗至中性并干燥，粉碎至60～80目；

[0018] b.用体积分数为1%～3%的醋酸溶液溶解脱乙酰度为90% 的壳聚糖,制成0.01g/mL的壳聚糖溶液；

[0019] c.将a步骤所得产物与b步骤所得产物混合至糊状，在100 ~120℃条件下干燥，粉碎至180～200目后，在200～220℃压制为1.5～2cm厚的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得壳聚糖麦饭石复合滤层。

[0020] 壳聚糖具有很强的吸附能力，壳聚糖不仅可以吸附镁、钾，而且可以吸附锌、钙、汞和铀，壳聚糖的吸附能力的大小取决于其脱乙酰度，脱乙酰度越大，吸附能力越强，壳聚糖对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和与氨基相临的羟基与许多金属离子(如2+ 2+ 2+ 2+ 2+ +
Hg 、Ni 、Cu 、Pb 、Ca 、Ag等)能形成稳定的螯合物，麦饭石是一种对生物无毒、无害并具有一定生物活性的复合矿物或药用岩石，主要化学成分是无机的硅铝酸盐，对细菌具有很强的吸附作用，其用水浸泡后，可以溶出钾、钠、钙、镁、硅、锰、钛、磷等人体并经特殊处理和成型焙烧制成，同时麦饭石可以调节人体的酸碱平衡，使水体PH在8.3左右，并能补充人体必须的锌锂，碘，硒等二十多中微量元素，还可调节生物体微循环，提高人体的免疫能力；

[0021] 碱性陶瓷球由电气石、高岭土及贝壳粉等多种天然矿物质、光催化剂、晶体材料组成。可以调节人体的酸碱平衡，使水体PH在7.3左右。同时能补充人体必须的锌锂，碘，硒等二十多中微量元素，还可调节生物体微循环，提高人体的免疫能力起到保健作用。

[0022] 含有上述滤芯的净水杯，包括螺纹连接的上、下杯体，上杯体顶部与杯盖螺纹连接，杯盖顶部设有顶盖，顶盖包括打气装置，打气装置通过杯盖上的通气孔与上杯体连通，上杯体底部设有滤芯，滤芯上设有气密芯，上杯体和下杯体通过气密芯和滤芯连通，滤芯下端与加热装置连接。

[0023] 工作时，人们将杯盖与上杯体分离，装入野外水，将杯盖与上杯体结合，在将顶盖与杯盖连接，使用顶盖的打气装置将空气通过通气孔打入上杯体，空气将上杯体内的野外水压过滤芯，使其流入下杯体，同时进入下杯体的空气通过气密芯流回上杯体，形成气体流动回路。气密芯仅能够使下杯体的空气流回上杯体，不能使下杯体的净化水流回上杯体内。净化完毕后，将上杯体和下杯体分离，饮用下杯体内的净化水即可。

[0024] 优选的，所述的顶盖顶部中心固设有指南针，顶盖顶部还设有半环形凹槽，顶盖两端与半环形拉环两端连接，半环形拉环与半环形凹槽间隙配合，顶盖与半环形拉环连接处的外壁上设有凸台，杯盖上设有直径上小下大的阶梯孔槽，阶梯孔槽上两端设有凹槽，凹槽与凸台间隙配合。

[0025] 指南针方便户外人员辨认方向，半环形拉环方便净水杯的拿取或与背包绳索的挂接。顶盖与杯盖结合安装时，将凸台与凹槽间隙配合后，继续下按顶盖，将凸台处放置于杯盖阶梯孔槽底部，然后转动顶盖，使得凸台与凹槽不在同一竖直平面，这样使得杯盖上阶梯孔槽的直径较小处阻挡凸台，限制顶盖上移。

[0026] 优选的，所述的滤芯下端还设有温度传感器，上杯体内顶端设有距离传感器，上杯体内壁上设有数据处理装置，数据处理装置与设置在上杯体外壁上的显示装置连接，温度传感器和距离传感器分别与数据处理装置连接。

[0027] 优选的，加热装置包括内置电池和加热电阻，上杯体上设有USB接口， USB接口输出端与内置电池连接，内置电池分别与加热电阻、数据处理装置、温度传感器、显示装置和距离传感器连接。

[0028] 优选的，所述的内置电池外设有防水壳体。

[0029] 人们可以通过USB接口使用外界电源对内置电池进行充电，内置电池对加热电阻、数据处理装置、温度传感器、显示装置和距离传感器供给电能。温度传感器测量下杯体内净化水温度，当温度较低时，温度传感器传递信号至数据处理装置，数据处理装置控制加热电阻加热净化水，当水温达到100℃时，温度传感器传递信号至数据处理装置，数据处理装置控制加热电阻停止加热净化水；距离传感器测量上杯体内装入野外水的体积高度，并传递信号至数据处理装置，数据处理装置换算，得出此次过滤水的体积，由于滤芯的使用寿命有限，过滤一定体积的水后需要更换，数据处理装置结合滤芯已经过滤的水体积和其寿命，将滤芯的剩余寿命即滤芯还能过滤多少水的体积显示在显示装置上，提醒人们及时更换滤芯。同时，水温的数据也通过数据处理装置传递给显示装置，并被显示装置显示。人们饮用下杯体内加热完毕的水即可。

[0030] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0031] 1）本发明中滤芯的活性炭纤维是有机碳纤维经活化处理后形成的一种新型吸附材料，与传统活性炭相比，活性炭纤维有超过一半的碳原子位于其内表面和外表面，一般比2
表面积可达1000m/g以上，以微孔为主，具有强度高、耐高温、不易粉化、洗脱速度快、加工成型好、耐酸碱腐蚀、再生性能好、对环境友好等特点。

[0032] 2）本发明滤芯的纳米金属簇净水材料又称纳米KDF，一种结合了多孔吸附材料和KDF优点的新型净水材料。其比表面积和孔隙率是KDF的100倍以上，纳米金属簇净水材料的净水原理与KDF一致。但同样用量的纳米金属簇滤料和KDF比较发现，前者的去除效果是后者的数倍至数十倍。且有很强的除菌作用。

[0033] 3）本发明滤芯的壳聚糖麦饭石复合滤层，将壳聚糖与麦饭石结合制成，有较好的抗菌活性，能抑制微生物滋生，能有效地去除水中异色、重金属、卤代烃和卤素等一些杂质，并且可以改善饮用水的口感，长期饮用含壳聚糖麦饭石滤芯处理的净化水能起到一定保健作用；

[0034] 4）本发明净水杯的结构简单轻巧、使用灵活方便、净水效果好、使用寿命长、方便携带、功能全面，能有效去除水中的异味、异色、泥沙等悬浮物和胶体、重金属、余氯、农药、有机物、藻类和细菌等微生物，适用于外出旅游和灾害事故等情况下的应急净水设备。

附图说明

[0035] 图1为本发明净水杯的结构示意图；

[0036] 图2为本发明净水杯顶盖内部结构示意图；

[0037] 图3为本发明净水杯杯盖结构示意图；

[0038] 图4为本发明净水杯上杯体内部结构示意图；

[0039] 图5为本发明净水杯上杯体内部结构示意图；

[0040] 图6为本发明净水杯加热装置结构示意图；

[0041] 图7为本发明净水杯上杯体与加热装置连接结构示意图；

[0042] 图8为本发明净水杯上杯体与加热装置连接结构示意图；

[0043] 图9为本发明顶盖、杯盖和上杯体连接结构示意图；

[0044] 图10为本发明滤芯结构示意图。

具体实施方式

[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0046] 如图1-10所示，所述净水杯包括螺纹连接的上杯体1和下杯体2，上杯体1顶部与杯盖3螺纹连接，杯盖3顶部设有顶盖4，顶盖4包括打气装置12，打气装置12通过杯盖3上的通气孔13与上杯体1连通，上杯体1底部设有滤芯7，滤芯7上设有气密芯6，上杯体1和下杯体2通过气密芯6和滤芯7连通，滤芯7下端与加热装置连接，加热装置包括内置电池14和加热电阻16，滤芯7下端还设有温度传感器15，上杯体1内顶端设有距离传感器
17，上杯体1内壁上设有数据处理装置18，数据处理装置18与设置在上杯体1外壁上的显示装置8连接，温度传感器15和距离传感器17分别与数据处理装置连接。上杯体1外壁上还设有USB接口22，USB接口22的输入端与内置电池14连接，内置电池14分别与加热电阻16、数据处理装置18、温度传感器15、显示装置8和距离传感器17连接，内置电池14外设有防水壳体。所述的顶盖4顶部中心固设有指南针9，顶盖4顶部还设有半环形凹槽10，顶盖4两端与半环形拉环5两端连接，半环形拉环5与半环形凹槽10间隙配合。所述的顶盖4与半环形拉环5连接处的外壁上设有凸台11，杯盖3上设有阶梯孔槽，阶梯孔槽的21处直径小于20处直径，阶梯孔槽上两端设有凹槽19，凹槽19与凸台11间隙配合。

[0047] 一种滤芯，所述滤芯由四层过滤层组成，由上至下分别为负载含银的介孔分子筛活性炭纤维滤层，有机离子负载沸石及纳米金属簇材料复合滤层，壳聚糖麦饭石复合滤层以及陶瓷碱性球滤层。

[0048] 所述的有机离子负载沸石及纳米金属簇净水材料复合滤层制备方法如下：

[0049] a. 将天然沸石进行酸洗刻蚀后，然后与质量为天然沸石质量16%的聚合氯化铝混合升温至350℃，用烧蚀工艺处理；

[0050] b.向每克a步骤所得产物中加入质量浓度为5g/L的十六烷基三甲基溴化铵3mL，瓶装密封后放入振荡速度为110r/min的恒温水浴振荡器中，在45℃进行离子交换反应2h；

[0051] c.将b步骤所得的产物用去离子水浸泡、冲洗，然后放入马弗炉中复焙烧失：温度220℃，时间2h，自然冷却后得到粉末状有机离子负载沸石；

[0052] d.将c步骤所得的产物按4:1的质量比与纳米金属簇净水材料混合均匀，然后在220℃压制为2mm厚，截面直径75mm的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得有机离子负载沸石及纳米金属簇净水材料复合滤层。

[0053] 酸洗刻蚀是将刻蚀材料浸泡在酸性腐蚀液内进行腐蚀的技术，主要通过稀释的酸在较为平整的天然沸石上刻出绒面，从而增加光程，减少光的反射，它是一种纯化学刻蚀。

[0054] 所述的壳聚糖麦饭石复合滤层制备方法如下：

[0055] a.将麦饭石浸泡于0.2 mol/L的HCl溶液24 h，过滤后用离子水洗至中性并干燥，粉碎至70目；

[0056] b.用体积分数为2%的醋酸溶液溶解脱乙酰度为90% 的壳聚糖,制成0.01g/mL的壳聚糖溶液；

[0057] c.将a步骤所得产物与b步骤所得产物混合至糊状，在120℃条件下干燥，粉碎至200目后，在220℃压制为2cm厚的圆柱体，将所得圆柱体装入层状网格即得壳聚糖麦饭石复合滤层。

[0058] 所述的碱性陶瓷球滤层可采用现有技术中的碱性陶瓷球材料制成2cm厚的圆柱体，并将所得圆柱体装入层状网格即得所述的碱性陶瓷球滤层。

[0059] 使用时，将杯盖3与上杯体1分离，在上杯体1内装入野外水，将杯盖3与上杯体1螺纹连接，将顶盖4的凸台11与杯盖3上阶梯孔槽上凹槽19间隙配合后，继续下按顶盖
4，将凸台11处放置于杯盖3阶梯孔槽底部，然后转动顶盖4，使得凸台4与凹槽19不在同一竖直平面（如图1所示），这样使得杯盖3上阶梯孔槽的直径较小的21处阻挡凸台11，限制顶盖4上移。通过打气装置12将空气通过通气孔13打入上杯体1，空气将上杯体1内的野外水压过滤芯7，使其流入下杯体2，同时进入下杯体2的空气通过气密芯6流回上杯体1，形成气体流动回路。气密芯6仅能够使下杯体2的空气流回上杯体1，不能使下杯体2的净化水流回上杯体1内。通过USB接口22，人们可用外界电源对内置电池14进行充电，内置电池14对加热电阻16、数据处理装置18、温度传感器15、显示装置8和距离传感器17供给电能。温度传感器15测量下杯体1内净化水温度，当温度较低时，温度传感器15传递信号至数据处理装置18，数据处理装置18控制加热电阻16加热净化水，当水温达到100℃时，温度传感器15传递信号至数据处理装置18，数据处理装置18控制加热电阻16停止加热净化水；距离传感器17测量上杯体1内装入野外水的体积高度，并传递信号至数据处理装置18，数据处理装置18换算，得出此次过滤水的体积，由于滤芯7的使用寿命有限，过滤一定体积的水后需要更换，数据处理装置18结合滤芯7已经过滤的水体积和其寿命，将滤芯7的剩余寿命即滤芯7还能过滤多少水的体积显示在显示装置8上，提醒人们及时更换滤芯。同时，水温的数据也通过数据处理装置18传递给显示装置8，并被显示装置8显示。
人们饮用下杯体内加热完毕后的水即可。

[0060] 指南针9方便户外人员辨认方向，半环形拉环5方便净水杯的拿取或与背包绳索的挂接。

[0061] 取河水样，检测到其中的污染物如下：

[0062] 1.固体悬浮物： 泥沙等肉眼可见物；

[0063] 2.微生物：细菌、大肠杆菌；

[0064] 3.重金属：汞、砷、铅、铬等；

[0065] 4.有机物 农药2，4—D；

[0066] 5.水样pH约为6.5左右。

[0067] 使用本发明对上述河水样过滤后，其水质测定结果如下：

[0068] 1.水质澄清，无肉眼可见物；

[0069] 2.细菌去除率92%，大肠杆菌去除率95%；

[0070] 3.汞去除率89%，砷去除率92%，铅去除率90%。铬去除率87%；

[0071] 4.2，4—D去除率83%

[0072] 水样pH约为8.0左右，偏碱性；

[0073] 水质中检测出溶出的钾、钠、钙、镁、硅、锰、钛、磷等矿物质元素。

[0074] 由此可得，使用本发明对河水样过滤后的净化水，完全达到国家一级水质的标准，可安全饮用。