一种具有净水、消毒和碘调节功能的高聚碘树脂直饮水机

摘要

本发明属于饮水机领域，尤其涉及一种具有净水、消毒和碘调节功能的高聚碘树脂直饮水机；该直饮水机由三级复合滤芯串联而成：第一级复合滤芯(Ⅰ)主要由颗粒状高聚碘树脂(4)和聚丙烯熔喷滤芯(2)构成；第二级复合滤芯(Ⅱ)主要由活性炭纤维毡(6)、颗粒状吸附树脂(7)和颗粒活性炭层(8)构成；所述第三级复合滤芯(Ⅲ)主要由中空纤维超滤膜(12)构成。本发明的高聚碘树脂直饮水机具有消毒安全高效、净水效果好、使用寿命长、可重复使用等优点，尤其是具有可调节水中碘含量的特点，不论是高碘还是低碘地区的自来水，通过饮水机后水中的含碘量均能稳定在对人体健康有利的碘含量范围内。

说明书

技术领域

本发明属于饮水机领域，尤其涉及一种具有净水、消毒和碘调节功能的高聚碘树脂直饮水机。

背景技术

碘是人类健康必需的微量元素，能促进人体的生长发育，特别对大脑和神经系统起着非常重要的作用。缺碘可影响甲状腺激素的合成，导致其分泌减少而影响智力的发育，严重者可导致“碘缺乏病”，而碘过量同样会危害人体健康，会引起高碘甲状腺肿等不良反应，甚至造成“碘源性甲亢”。目前一般采用含碘食盐补碘，但通过含碘食盐补碘具有很大的盲目性，缺碘地区不知补多少，高碘地区没有办法降低碘。因此，把水中的碘含量控制在对人体健康有利的范围是解决补碘同时又能防止碘过量问题的最佳途径。为了节约碘资源和降低处理成本，不宜采用在自来水中直接补碘和降碘，而应该采用饮水机补碘和降碘。

关于饮水机补碘的专利，按照释碘剂可分为三类，其中，第一类是将碘的无机化合物装在释碘装置内(CN101318734A、CN2218203Y以及CN101318734A)，主要靠释放碘离子补碘，但补碘量不能调控，并且不具备杀菌作用和净水功能；第二类是采用碘的有机溶剂浸渍的活性炭纤维作为释碘剂(CN2227122Y、CN2205380Y)，该方法靠吸附在活性炭纤维表面碘的释放进行补碘，但该方法同样不能控制碘的释放，容易造成余碘超标，并且杀菌能力差，没有净水功能；第三类是将固定于释碘装置中的碘树脂作为释碘剂(中国专利：CN2836894Y、CN2364810Y、CN2368840Y CN1144195A以及CN1683253A，美国专利：US2008148941A1，US2003138395A1，US2002074288A1；欧洲专利：EP0402865A1，EP0402865A1，EP0048286A1)，由于其碘树脂的稳定性差，碘释放开始很快，导致余碘超 标，并且随后碘释放率迅速下降，不能达到补碘的目的和消毒效果。尤其是以上几种补碘饮水机均不能针对高碘与低碘地区水源差异来调控水中的碘含量，并且不具有净化水功能和杀菌功能或消毒效果不佳。

发明内容

本发明的目的是：提供一种具有净水、消毒和碘调节功能的高聚碘树脂直饮水机。该直饮水机采用高聚碘树脂为消毒剂和释碘剂，利用吸附树脂吸附碘和释放碘的调节作用，通过三级复合滤芯串联的共同作用，实现消毒、净化和碘调节多重功能。在保证净水和消毒的同时又能实现低碘地区水的补碘和高碘地区的降碘，使通过直饮水机后饮用水中的碘含量达到有利于人体健康的范围。

实现本发明目的的技术方案是：一种具有净水、消毒和调节水中碘含量的高聚碘树脂直饮水机，其创新点在于，该直饮水机是由第一级复合滤芯I、第二级复合滤芯Ⅱ和第三级复合滤芯Ⅲ用管线串联而成：

所述第一级复合滤芯I是由第一壳体1、聚丙烯熔喷滤芯2、装有颗粒状高聚碘树脂4的消毒盒3构成；其中，消毒盒3位于第一壳体1内的出水口端，聚丙烯熔喷滤芯2位于第一壳体1内的进水口端，第一排污口5位于第一壳体1外壁的出水口端；

所述第二级复合滤芯Ⅱ是由第二壳体9、活性炭纤维毡6包覆颗粒状吸附树脂7的实心圆柱体10、支撑架11和颗粒活性炭层8构成；其中，实心圆柱体10是颗粒状吸附树脂7均匀铺在活性炭纤维毡6表面后，卷制而成的；在第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9内，从进水口端到出水口端依次为实心圆柱体10、颗粒活性炭层8、实心圆柱体10、支撑架11和实心圆柱体10；

所述第三级复合滤芯Ⅲ是由第三壳体13、中空纤维超滤膜12构成；第三壳体13外壁的出水口端有第二排污口14。

上述直饮水机中，所述第一级复合滤芯I的第一壳体1的进水口装有管线和进水阀15，其出水口装有管线和出水阀16并与第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9的进水口连接，此外 在第一壳体1的第一排污口5上设有管线和排污阀17；在第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9的出水口装有管线并与第三级复合滤芯Ⅲ的第三壳体13的进水口连接；在第三级复合滤芯Ⅲ的第三壳体13的出水口装有直饮水管线和出水阀18，其第二排污口14上装有管线和排污阀19。

上述直饮水机中，所述第一级复合滤芯I的聚丙烯熔喷滤芯2是中空的圆柱体，其靠近进水口端为封闭状；所述装有高聚碘树脂颗粒4的消毒盒3的两端均设有阻拦滤网，消毒盒3内装有的高聚碘树脂颗粒4为0.5g～2.5g；聚丙烯熔喷滤芯2的开口端置于靠近阻拦滤网端。

上述直饮水机中，所述第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9内，位于两个实心圆柱体10之间的支撑架11，其两端均为滤网，该滤网的网孔直径小于颗粒状吸附树脂7的粒径。

上述直饮水机中，所述第三级复合滤芯Ⅲ的第三壳体13外壁的第二排污口14位于其外壁的底部；第三壳体13内的中空纤维超滤膜12，是由弯曲状的中空纤维构成，中空纤维两头的开口密封在第三壳体13的出水口端并与第三壳体13的出水口连通。

上述直饮水机中。

上述直饮水机中，所述第一级复合滤芯I的第一壳体1内的颗粒状高聚碘树脂4的制备方法为：先将颗粒状活化树脂加入到溶剂乙醇水溶液中，其中颗粒状活化树脂与溶剂的体积比为1～5:1；然后在搅拌条件下将高聚碘溶液滴加到含有颗粒状活化树脂的溶剂中进行离子交换反应，制得高聚碘树脂；其中，高聚碘溶液与颗粒状活化树脂的体积比为1～5:1，反应温度为40～80℃，反应时间为2～8h；反应时间为2～8h；所述的高聚碘树脂是颗粒状活化树脂中的负离子与高聚碘溶液所含高聚碘离子进行离子交换所生成的高分子材料，其高聚碘离子的结构式为n为聚合度，且3≤n≤21的整数；

所用颗粒状活化树脂的制备方法为：将颗粒状强碱性聚苯乙烯系阴离子交换树脂用蒸馏水浸泡4～6h，然后用4wt％的氢氧化钠溶液冲洗2～4h，再用蒸馏水冲洗至中性，分 离后得到颗粒状OH型树脂，随后用4wt％的盐酸溶液冲洗前述颗粒状OH型树脂2～4h，再用蒸馏水洗至中性，分离即可得到颗粒状活化树脂；

所用高聚碘溶液是由碘、碘化物、稳定剂和溶剂组成，其中，碘与碘化物的质量比为1～10:1，稳定剂加入量为碘加入量的0.5wt％～10wt％，溶剂与碘的质量比为1～10:1,所述溶剂为乙醇水溶液，其中，乙醇与水的体积比为1～20:1，所述稳定剂为乙酸、草酸、柠檬酸、苹果酸以及磷酸中的一种或者几种的混合物，所述碘化物为碘化钾或碘化钠；高聚碘溶液的制备方法为：搅拌条件下在溶剂中依次加入碘化物、碘和稳定剂，然后加热到40～75℃，反应10～60min，即得含有高聚碘离子的溶液，即高聚碘溶液，其中，高聚碘溶液中高聚碘离子的聚合度决定于碘与碘化物加入量的比值，比值越高其聚合度越大；而高聚碘树脂中高聚碘离子的聚合度决定于高聚碘溶液中高聚碘离子的聚合度，但二者聚合度不一定相等，高聚碘树脂中高聚碘离子的聚合度小于或等于高聚碘溶液中高聚碘离子的聚合度。

上述直饮水机中，所述第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9内实心圆柱体10中的颗粒状吸附树脂7为颗粒状OH型树脂与颗粒状I型树脂的混合物，其中颗粒状OH型树脂占50wt％～80wt％；所用颗粒状OH型树脂为颗粒状强碱性聚苯乙烯系阴离子交换树脂先用蒸馏水浸泡4～6h，然后用4wt％的氢氧化钠溶液冲洗2～4h，再用蒸馏水冲洗至中性，分离后得到的；所用颗粒状I型树脂是将前述颗粒状OH型树脂用饱和的KI溶液冲洗2～4h，然后再用蒸馏水洗涤后，分离得到的。

上述直饮水机中，所述第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9内实心圆柱体10中的活性炭纤维毡6总量与颗粒活性炭层8中的颗粒活性炭的质量比为1～5:1，实心圆柱体10中的活性炭纤维毡6的质量与颗粒状吸附树脂7的体积之比为1～3g:5～1ml；颗粒活性炭层8位于两个实心圆柱体10之间。

上述直饮水机中，所述颗粒状高聚碘树脂4、活性炭纤维毡6和颗粒状吸附树脂7使用后均可回收利用；所述颗粒状高聚碘树脂4使用后变为低碘含量的颗粒状高聚碘树脂颗 粒，将其与权利要求6所述的高聚碘溶液反应生成新的颗粒状高聚碘树脂；所述活性炭纤维毡6使用后吸附了有机物和重金属离子，采用高温干燥除去吸附的有机物，然后采用稀的醋酸溶液浸泡除去重金属，这样处理后的活性炭纤维毡6可重复使用；所述颗粒状吸附树脂7使用后其中的颗粒状OH型树脂吸附了大量的碘，用CCl₄处理回收碘后可作为原料树脂循环使用；所述颗粒状吸附树脂7使用后其中的颗粒状I型树脂变成了低碘含量的高聚碘树脂，将其与前述的高聚碘溶液反应生成新的高聚碘树脂。

本发明技术效果

本发明技术方案与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果：

①本发明的高聚碘直饮水机采用了安全高效的高聚碘树脂作消毒剂，并结合第一级复合滤芯与第二级复合滤芯的共同杀菌作用，因而具有更好的消毒效果。

第一级复合滤芯与第二级复合滤芯，其高效消毒的原理为：第一级复合滤芯中的高聚碘树脂释放的碘不仅能够直接卤化细菌与病毒的蛋白质，进而杀死其接触的大部分细菌与病毒，而且释放的碘还能够部分水解成少量杀菌作用更强的次碘酸，瞬间杀死大量细菌和病毒；在第二级复合滤芯中，颗粒状吸附树脂中的OH型树脂吸附了碘(变成吸附碘树脂)，有较强的杀菌作用，尤其是颗粒状吸附树脂中的I型树脂与释放的碘反应变成了低碘含量的高聚碘树脂，具有很强的杀菌作用；加之，包在颗粒状吸附树脂周围的活性炭纤维毡能够吸附细菌与病毒，从而大大延长了吸附碘树脂和高聚碘树脂的杀菌时间，极大地提高了消毒效果。因此，经过前两级复合滤芯的共同杀菌作用，可以杀灭水中的全部细菌和病毒。

②本发明的高聚碘直饮水机第一级复合滤芯与第二级复合滤芯结合实现了对余碘含量的调节，不论是高碘地区的水，还是低碘地区的水，通过该饮水机后，水中的含量碘均能稳定在对人体健康有利的碘含量范围。

第一级复合滤芯与第二级复合滤芯，其调节碘含量的原理为：第一级复合滤芯中高聚碘树脂杀菌后残留的碘和自来水中原有的各种形式的碘(简称总碘)，在经过第二级复 合滤芯时，实心圆柱体内的由适当比例的OH型树脂和I型树脂组成的颗粒状吸附树脂，其OH型树脂吸附碘的速率快，但吸附上的碘容易脱附，而I型树脂吸附碘的速率慢，吸附后生成稳定的高聚碘树脂，生成高聚碘树脂后的碘是很难解离的。因此，这两种树脂按适当比例混合，其吸附速率适中，可具备对通过吸附树脂后水中碘含量的调节功能。因此绝大部分总碘被吸附速率适中的颗粒状吸附树脂所吸附，极少量的碘未被吸附而排出(称为余碘)；对于高碘地区的水，由于吸附速率与含碘量成正比，因而吸附快，结果通过颗粒状吸附树脂后的余碘也不高；而对于低碘地区的水，由于含碘量低而吸附速率慢，结果通过颗粒状吸附树脂后的余碘也不低；总之，不管是高碘还是低碘地区的水，通过颗粒状吸附树脂的调节作用均可将余碘含量稳定在对人体健康有利的碘含量范围(0.01～0.15ppm)。

③本发明的高聚碘树脂直饮水机采用三级滤芯串联使用，可以深度滤除水中的有机污染物和重金属，调节直饮水的口感，实现杀菌、净水和碘调节的多重功能。

自来水首先通过第一级复合滤芯，由聚丙烯熔喷滤芯进行粗滤，主要滤除水中泥沙、悬浮物等肉眼可见物，然后进入消毒盒进行一次消毒，瞬间杀死大部分细菌和病毒，随后经由第一级复合滤芯出口进入第二级复合滤芯，进行吸附和二次消毒：通过活性炭纤维毡吸附，除去水中的有机污染物和重金属离子；通过颗粒状吸附树脂对不同浓度碘吸附的速率差，调节饮用水中的碘含量，同时吸附了碘之后的颗粒状吸附树脂变为低碘含量的高聚碘树脂，对水进行二次消毒；通过颗粒活性炭调节饮用水的口感，最后经由第二级复合滤芯出口进入第三级复合滤芯，通过中空纤维超滤膜进行精滤，滤除水中细菌尸体，并保留人体所需的矿物质和微量元素。结果，经由第三级复合滤芯出口的自来水可直接饮用。

④本发明的高聚碘树脂直饮水机的主要消耗材料如高聚碘树脂、活性炭纤维毡、吸附树脂和碘均可回收后循环利用，不仅大大降低了成本，节约了资源，还避免了对环境的污染。

直饮水机中的使用后的颗粒状高聚碘树脂、活性炭纤维毡和颗粒状吸附树脂(OH型 和I型)均可回收后循环利用。使用后的高聚碘树脂变为低碘含量的高聚碘树脂或空白树脂，与上述的高聚碘溶液反应可生成新的高聚碘树脂；使用后活性炭纤维毡吸附了大量有机物和重金属离子，通过高温干燥除去吸附的有机物，然后通过稀的醋酸溶液浸泡除去重金属，这样处理后活性炭纤维毡可重复使用；使用后的OH型树脂吸附了大量的碘，用CCl₄处理回收碘后可作为树脂原料循环使用；使用后的I型树脂变成了低碘含量的高聚碘树脂，与上述的高聚碘溶液反应生成新的高聚碘树脂。

⑤本发明第一级复合滤芯所用的高聚碘树脂，不仅消毒性能和余碘含量稳定，而且使用寿命大大延长，至少使用一年以上才需要更换滤芯。

⑥本发明的直饮水机还具有体积小、重量轻、能耗低、无腐蚀、使用寿命长、消毒滤芯更换方便和不受使用水体限制等优点，是一种使用寿命长、安全、高效、健康的直饮水机。

附图说明

图1为本发明各级复合滤芯连接示意图；

图2为本发明第一级复合滤芯Ⅰ的结构示意图；

图3为本发明第二级复合滤芯Ⅱ的结构示意图；

图4为本发明第三级复合滤芯Ⅲ的结构示意图；

图5为本发明所制高聚碘树脂样品的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明，但不局限于此。

如图1～4所示，一种具有净水、消毒和调节水中碘含量的高聚碘树脂直饮水机，其创新点在于，该直饮水机是由第一级复合滤芯I、第二级复合滤芯Ⅱ和第三级复合滤芯Ⅲ用管线串联而成：

所述第一级复合滤芯I是由第一壳体1、聚丙烯熔喷滤芯2、装有颗粒状高聚碘树脂4的消毒盒3构成；其中，消毒盒3位于第一壳体1内的出水口端，聚丙烯熔喷滤芯2位于 第一壳体1内的进水口端，第一排污口5位于第一壳体1外壁的出水口端；

所述第二级复合滤芯Ⅱ是由第二壳体9、活性炭纤维毡6包覆颗粒状吸附树脂7的实心圆柱体10、支撑架11和颗粒活性炭层8构成；其中，实心圆柱体10是颗粒状吸附树脂7均匀铺在活性炭纤维毡6表面后，卷制而成的；在第二级复合滤芯Ⅱ的第二壳体9内，从进水口端到出水口端依次为实心圆柱体10、颗粒活性炭层8、实心圆柱体10、支撑架11和实心圆柱体10；

所述第三级复合滤芯Ⅲ是由第三壳体13、中空纤维超滤膜12构成；第三壳体13外壁的出水口端有第二排污口14。

具体实施方案如下：

①颗粒状OH型树脂的制备

将强碱性聚苯乙烯系阴离子交换树脂(201×7型)先用蒸馏水浸泡4～6h，然后用4wt％的氢氧化钠溶液冲洗2～4h，再用蒸馏水冲洗至中性，分离后得到颗粒状OH型树脂。

②颗粒状活化树脂制备

将上述颗粒状OH型树脂用4wt％的盐酸溶液冲洗2～4h，然后再用蒸馏水洗至中性，分离即得到颗粒状活化树脂。

③颗粒状I型树脂的制备

将上述颗粒状OH型树脂用饱和的KI溶液冲洗2～4h，然后再用蒸馏水洗涤3次，分离即可得到颗粒状I型树脂。

④颗粒状高聚碘树脂4的制备，具体制备方法如下：

a)配制110mL乙醇水溶液(其中，乙醇100mL、水10mL)作为溶剂，待用；

b)准确称取碘化钾8.3g，碘25.4g，和0.21g草酸，搅拌条件下在80mL上述溶剂乙醇水溶液中，依次加入上述准确称取的碘化钾、碘和稳定剂，在45℃条件下反应30min，即得高聚碘溶液，待用；

c)准确量取②制备的颗粒状活化树脂60mL放入三口瓶中，加入上述溶剂乙醇水溶液 30mL，然后将上述高聚碘溶液滴加到三口瓶中，45℃条件下反应6h，反应结束后，过滤后，用去离子水洗涤，即得颗粒状高聚碘树脂4。

采用显微共焦拉曼光谱仪对上述制得的颗粒状高聚碘树脂4样品进行结构分析，其Raman谱图如图5所示，图中，112cm^-1为高聚碘离子I₃^-的特征峰(峰b)，168cm^-1为高聚碘离子的特征峰(峰a)，336cm^-1为高聚碘离子的倍频峰，说明上述样品为高聚碘树脂，并且是聚合度为5的高聚碘树脂和聚合度为3的高聚碘树脂的混合物；经化学分析，其中聚合度为5的高聚碘树脂的摩尔分数为0.9，聚合度为3的高聚碘树脂的摩尔分数为0.1，含碘量为34％。

⑤各级复合滤芯的装配

a)第一级复合滤芯Ⅰ的装配

称取1.5g颗粒状高聚碘树脂4作为固体消毒剂放入到第一级复合滤芯Ⅰ的消毒盒3中，其上下均有阻拦滤网，防止高聚碘树脂被水流冲走。第一级复合滤芯I的第一壳体1内的聚丙烯熔喷滤芯2是中空的圆柱体，位于第一壳体1内的进水口端，其靠近进水口端为封闭状，其开口端放在消毒盒3的上端阻拦滤网上，即组装完毕，所得第一级滤芯I，如图2所示；

b)第二级复合滤芯的装配

将150mL颗粒状吸附树脂7(OH型树脂70wt％，I型树脂30wt％)均匀地铺在活性炭纤维毡6(质量为40g，宽5cm、长20cm)表面，然后卷成实心的圆柱体10(直径为6cm)，重复上述操作3次，制得三段同样大小的活性炭纤维毡包覆颗粒状吸附树脂的实心圆柱体10，支撑架11上下放有滤网，其滤网的孔径小于吸附树脂的粒径；

称取颗粒活性炭30g；

装配时，在第二级复合滤芯Ⅱ的壳体9内，从进水口端到出水口端依次放置实心圆柱体10、颗粒活性炭层8、实心圆柱体10、支撑架11和实心圆柱体10，即装配完毕，所得第二级复合滤芯Ⅱ，如图3所示；

支撑架11在靠近出水口的两段实心圆柱体10之间起支撑作用，支撑架11上下均为滤网(孔径小于吸附树脂的粒径)，其作用不仅可以将通过支撑架11下面的实心圆柱体10之后不同部位水中的碘含量均匀化，而且还对该实心圆柱体10起到支撑和紧固的作用，防止包覆的颗粒状吸附树脂被水冲出。

C)第三级复合滤芯的装配

将若干根中空纤维弯曲作为中空纤维超滤膜12，中空纤维两端的开口密封在壳体13底部连接出水口，即装配完毕，所得第三级复合滤芯Ⅲ，如图4所示；

当自来水进入第一级复合滤芯Ⅰ时，通过聚丙烯熔喷滤芯2滤除水中的泥沙、悬浮物等颗粒物，然后通过消毒盒3中颗粒状高聚碘树脂4进行一次消毒。第一级复合滤芯Ⅰ的壳体1外壁下端的第一排污口5，定期排掉泥沙和悬浮物等颗粒物，延长其使用寿命。

⑥直饮水机的使用

首次使用本发明的直饮水机时，先将连接自来水的进水管线上的水阀15和排污阀19打开，排掉气体，待有水流出时，关闭排污阀19，再打开直饮水出水管线上的出水阀18，连续出水20～30min后，即可直接饮用。

经过三级复合组合滤芯的串联使用，可以深度去除水中的有机污染物和重金属，调节直饮水的口感，同时实现消毒、净水和碘调节的多重功能。

每月至少打开一次排污阀17，对聚丙烯熔喷滤芯2进行清洗，冲水时间为1～2min，除去附着在聚丙烯熔喷滤芯2表面或水中的泥沙、悬浮物等大颗粒，以保障聚丙烯熔喷滤芯2清洁畅通。

每周至少打开一次排污阀19，对中空纤维超滤膜12进行清洗，冲水时间为1～2min，除去附着在中空纤维超滤膜12表面或水中的细菌尸体，以保障中空纤维超滤膜12清洁畅通。

在第三级壳体13外的第二排污口14，需要定期排污(主要是细菌尸体)，避免中空纤维超滤膜12的微孔被堵塞。