一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯

1.本发明涉及一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，用于对ro膜反渗透处理后的纯水进行再矿化处理，属于纯水再矿化领域。


背景技术：

2.随着居民生活水平和健康意识的提升，越来越多的居民希望饮用无污染物且含有有益矿物质的健康饮用水，导致我国的家用净水设备普及率逐年上升。为保证净水效果，家用净水设备中普遍采用反渗透工艺，该工艺中反渗透ro膜过滤精度可达0.0001微米，能够去除自来水中95％以上的可溶性离子。但是反渗透工艺在去除污染物的同时也一并去除了水中有益矿物质，得到矿物质含量极低的纯水，长期饮用纯水会有导致人体矿物质摄入不足的风险，该类净水设备越来越不受消费者欢迎。
3.根据水文地质调查的统计结果，目前发现的矿泉水类型大部分为低钠低矿化度偏硅酸富锶型矿泉水，主要有益矿物质组分为ca2+、mg2+、sr2+和偏硅酸，以上4种离子组成了天然泉水矿物质微量元素谱。如果能过通过矿化手段向纯水中补充以上矿物质，就能够得到接近矿泉水的健康饮用水。实现以上目标的技术难度在于，天然矿泉水是地下水在地下深处岩层的孔隙、裂隙和溶洞中长时间接受围岩的矿物质补给而形成，但是家用净水设备普遍体积较小，常规添加矿物岩石、矿化陶瓷球材料无法保证矿化效果，更无法做到向纯水中补充天然泉水矿物质微量元素谱。部分研究采用含有硫酸锶的材料矿化纯水得到富锶饮用水，但是硫酸锶溶解度较大，水流静止状态下会有sr2+和so42-浓度过高的问题，家用净水设备在间断工作状态下，水流时断时续，导致出水水质不稳定。本发明采用与ca2+、mg2+、sr2+和偏硅酸含量直接相关的多种天然矿物材料，进行高温、酸碱改性处理，提高其溶解性，作为纯水矿化材料，设计制作一种富含天然泉水矿物微量元素谱的矿化滤芯。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，用于对纯水进行再矿化处理，使纯水中溶解有合适浓度的ca2+、mg2+、sr2+和偏硅酸，得到接近低钠低矿化度偏硅酸富锶型矿泉水水质的饮用水。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，由矿化滤芯内芯和矿化激发装置两部分组成，所述的矿化滤芯内芯是填装有多种矿化材料和净水材料的原柱状滤芯，所述的矿化滤芯内芯分为内外2层，即内芯外层和内芯内层，内芯外层和内芯由筒状隔层分隔开，所述的内芯外层与进水口连接，其中内芯外层内填装有复合矿化材料，所述内芯内层与出水口连接，其中内芯内层内部从下到上依次填装有改性沸石材料、折叠棉过滤材料、烧结活性炭材料和超滤膜材料；
7.所述的矿化激发装置由消音外壳、上盖和超声波发生器组成，所述上盖上安装有水流开关，其中水流开关与进水口连接，所述消音外壳、上盖内均附有1cm厚度消音棉，所述
的消音棉内侧安装有4个微型超声波发生器，其中微型超声波发生器的振动面与内芯外层的外壳接触。
8.作为本发明优选的方案，所述的复合矿化材料是由改性水镁石、改性菱锶矿、复合硅灰石和改性沸石材料按5:1:5:2混合而成。
9.作为本发明优选的方案，所述的改性水镁石材料的制备过程如下：
10.步骤1，选取纯度高的天然水镁石矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状；
11.步骤2，随后将其放入250～300℃范围内加热改性1～2h；
12.步骤3，最后将热处理后的水镁石颗粒进行振动筛分，得到2～5mm的粒径的改性水镁石材料。
13.作为本发明优选的方案，所述改性菱锶矿材料的制备过程如下：
14.步骤1，选取纯度高的天然菱锶矿矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状，取100g放入高压反应釜内，加入纯水后密闭高压加热至105～110℃；
15.步骤2，随后向反应釜内通入15～20g二氧化碳气体，进行反应30～50mi n，该条件下，部分菱锶矿会发生矿物相转变，生成一部分易溶解的sr(hco3)2；
16.步骤3，改性完成后自然降温冷却取出菱锶矿矿石颗粒，得到改性菱锶矿材料。
17.作为本发明优选的方案，所述复合硅灰石材料的制备过程如下：
18.步骤1，选取纯度高的天然硅灰石矿石和火山岩矿石，均粉碎至30～100目粉末状；
19.步骤2，将硅灰石粉、火山岩粉、生石灰粉和水按5:5:1:10的比例混合均匀，在搅拌器中混合均匀得到均一浆料，放入砂浆喷涂机内，均匀喷涂在滤纸上2～3mm厚度，在室内放置7～10天硬化；
20.步骤3，将硬化后的材料粉碎筛分至2～5mm细颗粒材料即得到复合硅灰石材料。
21.作为本发明优选的方案，所述的改性沸石材料的制备过程如下：
22.步骤1，选取产自辽宁葫芦岛的绿色天然沸石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状；
23.步骤2，随后取10g颗粒沸石放入烧杯中，加入100ml 0.1mol/l氢氧化钠溶液浸没，将烧杯放置在超声清洗机中进行超声-碱改性30mi n；
24.步骤3，最后，取出沸石，用纯水清洗3次后烘干即得到改性沸石材料。
25.作为本发明优选的方案，所述折叠棉过滤材料为聚丙烯无纺布材料，呈瓦楞纸折叠式结构，过滤孔径0.1mm，对滤芯矿化出水进行粗滤。
26.作为本发明优选的方案，所述的烧结活性炭材料由80～100目椰壳活性炭混合高分子粘合剂压缩成圆柱型后105℃烧结而成，过滤孔径0.1～0.01mm。
27.作为本发明优选的方案，所述的超滤膜材料为市售丝状高分子超滤膜，过滤孔径0.1微米。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明提供一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，具有以下优点：其一是采用的矿化材料为多种天然矿石，成本低，易获取，能够同时矿化溶出ca2+、mg2+、sr2+和偏硅酸，实现向纯水中添加微量元素谱的目标；其二针对天然矿石矿化缓慢的问题，进行了针对性的改性，提升溶解速度，同时结合矿化激发装置，利用超声提供能量加速矿化过程，能够提升矿化效果；三是在矿化过程中添加了吸附净化材料改性沸石，能够在水流静止状态下吸附溶解过量的sr2+离子，在水流动时受超声作用解吸释放，调节矿物质浓度，维持
水质稳定；四是整个滤芯分为内芯和矿化激发装置，内芯可到期失效更换，矿化激发装置则可以继续使用，降低成本。
附图说明
30.图1为滤芯剖面结构示意图；
31.图2为滤芯内芯剖面结构示意图；
32.图3为滤芯横截面结构示意图。
33.图中：1；进水口，2；出水口，3；上盖，4；消音外壳，5；超声波发生器，6；复合矿化材料，7；超滤膜，8；烧结活性炭，9；折叠棉过滤材料，10；改性沸石材料，11；水流开关。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
36.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.实施例，请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
39.本发明提供了一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其剖面图如图1所示，该滤芯由矿化内芯和矿化激发装置两部分组成。
40.所述的矿化滤芯内芯是填装有多种矿化材料和净水材料的原柱状滤芯，如图2所示。滤芯内芯结构上分为内外2层，由筒状隔层分隔开。内芯外层与进水口1连接，主要填装有复合矿化材料6；内芯内层与出水口2连接，主要填装有改性沸石材料10、折叠棉过滤材料9、烧结活性炭材料8和超滤膜材料7组成。
41.所述的复合矿化材料6是由改性水镁石、改性菱锶矿、复合硅灰石和改性沸石材料按5:1:5:2混合而成。
42.所述的改性水镁石材料的制备过程如下：选取纯度高的天然水镁石矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状，随后将其放入250～300℃范围内加热改性1～2h，水镁石发生一定程度变性，可溶性增强。将热处理后的水镁石颗粒进行振动筛分，得到2～5mm的粒径的改性水镁石材料。
43.所述的改性菱锶矿材料的制备过程如下：选取纯度高的天然菱锶矿矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状，取100g放入高压反应釜内，加入纯水后密闭高压加热至105～110℃，随后向反应釜内通入15～20g二氧化碳气体，进行反应30～50mi n。该条件下，部分菱锶矿会发生矿物相转变，生成一部分易溶解的sr(hco3)2。改性完成后自然降温冷却取出菱锶矿矿石颗粒，得到改性菱锶矿材料。
44.所述的复合硅灰石材料的制备过程如下：选取纯度高的天然硅灰石矿石和火山岩矿石，均粉碎至30～100目粉末状，将硅灰石粉、火山岩粉、生石灰粉和水按5:5:1:10的比例混合均匀，在搅拌器中混合均匀得到均一浆料，放入砂浆喷涂机内，均匀喷涂在滤纸上2～3mm厚度，在室内放置7～10天硬化。将硬化后的材料粉碎筛分至2～5mm细颗粒材料即得到复合硅灰石材料。
45.所述的改性沸石材料10的制备过程如下：选取产自辽宁葫芦岛的绿色天然沸石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状。取10g颗粒沸石放入烧杯中，加入100ml0.1mol/l氢氧化钠溶液浸没，将烧杯放置在超声清洗机中进行超声-碱改性30mi n。随后取出沸石，用纯水清洗3次后烘干即得到改性沸石材料。
46.所述的折叠棉过滤材料9为聚丙烯无纺布材料，呈瓦楞纸折叠式结构，过滤孔径0.1mm，对滤芯矿化出水进行粗滤。
47.所述的烧结活性炭材料8由80～100目椰壳活性炭混合高分子粘合剂压缩成圆柱型后105℃烧结而成，过滤孔径0.1～0.01mm左右，可净化水质，改善口感。
48.所述的超滤膜材料7为市售丝状高分子超滤膜，过滤孔径0.1微米，保证出水清澈。
49.所述的矿化激发装置由消音外壳4、上盖3、超声波发生器5组成。上盖上安装有水流开关11，并与内芯进水口1连接。消音外壳和上盖内均附有1cm厚度消音棉，消音棉内侧安装有4个微型超声波发生器5，超声波发生器振动面与内芯外壳接触。在滤芯进水口水流开关11感应到水流动时，将信号传递给超声波发生器5，超声波发生器振动会将超声波传递到内芯，高频振动促进内芯内的复合矿化材料溶解以及改性沸石材料的解吸，提高矿化效果。
50.使用本发明对ro膜反渗透处理后的纯水以1l/mi n的流量进行过滤矿化，进出水水质测定结果见表1，从中可以看出矿化后水质中ca
2+
、mg
2+
、sr
2+
和偏硅酸含量显著提升，矿化效果显著。
51.表1纯水矿化前后水质差异
52.指标单位进水水质出水水质ca
2+
mg/l1.0～3.05.0～10.0mg
2+
mg/l0.5～1.52.0～5.0sr
2+
mg/l《0.010.25～0.80偏硅酸mg/l《1.025～30
53.对滤芯暂停使用24h后再次使用的前250ml水进行了测定，结果见表2。从中可以看出，直接采用硫酸锶矿物、陶瓷球的矿化滤芯会因矿化材料长时间浸泡产生浓水，特别是sr
2+
含量达到5.0～10.0mg/l，过高的矿物质含量造成水质硬化，口感不佳，长期饮用也有潜在健康风险。本发明因复合矿化滤料中混有吸附性的改性沸石材料，可以在水流静止状态下吸附溶解过量的sr
2+
离子，在水流动时受超声作用解吸释放，调节矿物质浓度，维持水质稳定。
54.表2不同矿化滤芯静置24h后出水水质差异
[0055][0056]
此过程通过设计一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，具有以下优点：其一是采用的矿化材料为多种天然矿石，成本低，易获取，能够同时矿化溶出ca2+、mg2+、sr2+和偏硅酸，实现向纯水中添加微量元素谱的目标；其二针对天然矿石矿化缓慢的问题，进行了针对性的改性，提升溶解速度，同时结合矿化激发装置，利用超声提供能量加速矿化过程，能够提升矿化效果；三是在矿化过程中添加了吸附净化材料改性沸石，能够在水流静止状态下吸附溶解过量的sr2+离子，在水流动时受超声作用解吸释放，调节矿物质浓度，维持水质稳定；四是整个滤芯分为内芯和矿化激发装置，内芯可到期失效更换，矿化激发装置则可以继续使用，降低成本。
[0057]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，由矿化滤芯内芯和矿化激发装置两部分组成，其特征在于：所述的矿化滤芯内芯是填装有多种矿化材料和净水材料的原柱状滤芯，所述的矿化滤芯内芯分为内外2层，即内芯外层和内芯内层，内芯外层和内芯由筒状隔层分隔开，所述的内芯外层与进水口(1)连接，其中内芯外层内填装有复合矿化材料(6)，所述内芯内层与出水口(2)连接，其中内芯内层内部从下到上依次填装有改性沸石材料(10)、折叠棉过滤材料(9)、烧结活性炭材料(8)和超滤膜材料(7)；所述的矿化激发装置由消音外壳(4)、上盖(3)和超声波发生器(5)组成，所述上盖(3)上安装有水流开关(11)，其中水流开关(11)与进水口(1)连接，所述消音外壳(4)、上盖(3)内均附有1cm厚度消音棉，所述的消音棉内侧安装有4个微型超声波发生器(5)，其中微型超声波发生器(5)的振动面与内芯外层的外壳接触。2.根据权利要求1所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述的复合矿化材料(6)是由改性水镁石、改性菱锶矿、复合硅灰石和改性沸石材料按5:1:5:2混合而成。3.根据权利要求2所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述的改性水镁石材料的制备过程如下：步骤1，选取纯度高的天然水镁石矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状；步骤2，随后将其放入250～300℃范围内加热改性1～2h；步骤3，最后将热处理后的水镁石颗粒进行振动筛分，得到2～5mm的粒径的改性水镁石材料。4.根据权利要求2所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述改性菱锶矿材料的制备过程如下：步骤1，选取纯度高的天然菱锶矿矿石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状，取100g放入高压反应釜内，加入纯水后密闭高压加热至105～110℃；步骤2，随后向反应釜内通入15～20g二氧化碳气体，进行反应30～50min，该条件下，部分菱锶矿会发生矿物相转变，生成一部分易溶解的sr(hco3)2；步骤3，改性完成后自然降温冷却取出菱锶矿矿石颗粒，得到改性菱锶矿材料。5.根据权利要求2所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述复合硅灰石材料的制备过程如下：步骤1，选取纯度高的天然硅灰石矿石和火山岩矿石，均粉碎至30～100目粉末状；步骤2，将硅灰石粉、火山岩粉、生石灰粉和水按5:5:1:10的比例混合均匀，在搅拌器中混合均匀得到均一浆料，放入砂浆喷涂机内，均匀喷涂在滤纸上2～3mm厚度，在室内放置7～10天硬化；步骤3，将硬化后的材料粉碎筛分至2～5mm细颗粒材料即得到复合硅灰石材料。6.根据权利要求2所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述的改性沸石材料(10)的制备过程如下：步骤1，选取产自辽宁葫芦岛的绿色天然沸石，破碎筛分至2～5mm的颗粒状；步骤2，随后取10g颗粒沸石放入烧杯中，加入100ml0.1mol/l氢氧化钠溶液浸没，将烧杯放置在超声清洗机中进行超声-碱改性30min；步骤3，最后，取出沸石，用纯水清洗3次后烘干即得到改性沸石材料。
7.根据权利要求1所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述折叠棉过滤材料(9)为聚丙烯无纺布材料，呈瓦楞纸折叠式结构，过滤孔径0.1mm，对滤芯矿化出水进行粗滤。8.根据权利要求1所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述的烧结活性炭材料(8)由80～100目椰壳活性炭混合高分子粘合剂压缩成圆柱型后105℃烧结而成，过滤孔径0.1～0.01mm。9.根据权利要求1所述的一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，其特征在于：所述的超滤膜材料(7)为市售丝状高分子超滤膜，过滤孔径0.1微米。

技术总结
本发明涉及纯水再矿化技术领域，尤其为一种富含天然泉水矿物质微量元素谱的矿化滤芯，由矿化滤芯内芯和矿化激发装置两部分组成，本发明通过设计具有以下优点：采用的矿化材料为多种天然矿石，成本低，易获取，能够同时矿化溶出Ca2+、Mg2+、Sr2+和偏硅酸，实现向纯水中添加微量元素谱的目标；针对天然矿石矿化缓慢的问题，进行了针对性的改性，提升溶解速度，同时结合矿化激发装置，利用超声提供能量加速矿化过程，能够提升矿化效果；在矿化过程中添加了吸附净化材料改性沸石，能够在水流静止状态下吸附溶解过量的Sr2+离子，在水流动时受超声作用解吸释放，调节矿物质浓度，维持水质稳定；内芯可到期失效更换，矿化激发装置则可以继续使用，降低成本。降低成本。降低成本。


技术研发人员：吴联星 夏新星 王宗星 吴锦华 熊涛 杜坤 潘欢迎
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/20