CN104226230A

CN104226230A - 一种陶粒填料及其化学改性方法

Info

Publication number: CN104226230A
Application number: CN201310241057.6A
Authority: CN
Inventors: 郝爱香; 毛松柏; 孔京
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Nanjing Chemical Industry Group Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Sinopec Nanjing Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明属于新材料领域，涉及一种陶粒填料及其化学改性方法。以普通陶粒填料为载体，经过水洗、酸洗、烘干灭菌等工序后，经改性剂浸渍后，使其充分接触，改变陶粒内外表面的物化性能，并经高温焙烧，使改性剂浓缩，金属氧化物沉积在陶粒表面，即成改性陶粒填料。化学改性后的陶粒填料，可使菌种更易于附着其表面，具有生物挂膜时间短、生物膜分布均匀及耐冲击负荷高等优点。该化学改性的陶粒填料可广泛用于生物膜滴滤塔设备的生物滤料，在污水处理、废气净化及挥发性有机物分离等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种陶粒填料及其化学改性方法

技术领域

本发明属于新材料领域，具体的说涉及一种通过化学方法改性的陶粒填料。

背景技术

填料是生物膜滴滤塔微生物的载体，是生物固定和污染物处理的主要场所。填料性质直接影响填充层生物量的生长，系统能耗，以及恶臭污染物的气-液-固三相的相传质过程及其分配系数。因而填料性能直接影响生物膜滴滤塔处理效率。依据吸附理论，填料应该选择比表面积大、生物亲和性好、抗酸抗碱耐氧化、使用寿命长、质轻、机械强度大、安装维修方便以及价格便宜等。优选填料能提高反应器内单位体积微生物浓度，增大污染物向微生物的传质量，从而提高系统的处理能力、缓冲能力和系统负荷。

目前，应用于生物膜滴滤塔常用的生物填料多为天然惰性填料如：rock wool-compost、沸石、组合填料，轻质陶粒，多为硅酸盐矿物或有机聚合物，本身带有负电荷。而且填料存在成本高，耗能多，机械强度低，抗冲刷磨损性能差等缺点。同时也由于填料表面粗糙度不够，微生物很难在短时间附着在填料表面，造成现有填料挂膜周期长，生物膜易脱落，而不利用微生物生长繁殖，挂膜性能差的现象。

因此，需要对这种高分子聚合材料的填料表面进行改性。一般认为，填料吸附能力较弱，经过改性后，其吸附能力大大增加。改性技术近十年渐渐被人们所认识，填料改性的基础理论就是通过理化方法，改变原填料或其表面的物理化学性质，在水污染治理中已有较多研究。分析指出改性填料表面涂层的物理、化学性能影响颗粒和溶解物质的去除，涂层具有大比表面积、表面吸附位、表面粗糙度和多孔性是改性填料表现出优势的原因。

发明内容

为克服现有技术中生物挂膜时间长、生物膜分布不均匀、固定附着度差、耐冲击负荷低等技术不足，本发明通过对原陶粒填料的内表面进行化学改性，成为一种新型陶粒填料，可更好地固定某种特定目标微生物，提高对污染物的处理效果。本发明的另一个目的在于，提供该新型陶粒填料的化学改性方法。

本发明是通过以下措施来实现的。一种改性陶粒填料，通过表面预处理，然后进行改性剂浸渍，对填料载体的内外孔表面进行改性处理，最后高温焙烧，即成改性陶粒填料。

经化学改性处理后的陶粒填料物化性能参数为：密度2.1~2.5 g/cm³，比表面积0.4~0.8 m²/g，孔隙率0.5~0.7，等电点pH 7.5~9.0，表面pH 5.0~6.0。

陶粒填料的化学改性方法：将陶粒洗净后烘干；用10%~30% H₂SO₄溶液浸渍20~40小时，水洗至中性；烘干后置于改性剂中浸渍20~40小时；烘干后焙烧，冷却，洗涤，烘干，即成改性的陶粒填料。

所述的改性剂为硝酸铁、氯化铁、硫酸铝、氯化铝等物质中的任意一种。

所述的改性剂浓度为0.5mol/L~2 mol/L

所述的焙烧温度为300oC~700oC，焙烧时间为1~5小时。

所述的陶粒浸渍于改性剂的温度为60oC~100oC

所述的烘干温度为100oC~120oC，时间为2~4小时。

一种快速塔内挂膜的方法，包括以下步骤：将待固定的菌种（例如硝化菌，脱硫菌，）直接接入营养液中，在生物膜滴滤塔中，含菌种的营养液由上而下喷淋到填料上，菌种被固定在上面，并通过定期添加优势菌种的气液相逆流同步驯化挂膜，加快挂膜效率，逐渐成长固定形成稳定、均匀致密的生物膜。

在以上加工工序中，预处理阶段的作用是去除陶粒内外表面对固定化微生物有害的杂质，同时扩大内孔的容积，使恢复陶粒表面恢复活化能力，使改性剂粘附效果更佳。浸渍过程的主要目的是使改性剂与陶粒充分接触，改变陶粒内外表面的物化性能。烘干的作用首先是灭菌，去除对固定化微生物有害的杂菌；其次是去除陶粒内孔的水份。高温焙烧的目的是使HCl或HNO₃从溶液中蒸发，改性剂浓缩，金属氧化物沉积在陶粒表面，使改性陶粒具有不同于原陶粒的特殊性能。焙烧温度及焙烧时间的确定，直接影响着改性填料性能的优劣。

本发明提出一种利用化学方法改性的陶粒填料及其制备方法。改性填料填料可增加其比表面积和亲水性，提高单位体积填料的生物容量；加大其孔隙率，扩大气体与生物的接触面，提高污染物在生物膜滴滤塔内的传质速率。化学改性后的陶粒填料，可使菌种更易于附着其表面，具有生物挂膜时间短、生物膜分布均匀及耐冲击负荷高等优点。

本发明的化学改性的陶粒填料可广泛用于生物膜滴滤塔设备的生物滤料，在污水处理、废气净化及挥发性有机物处理等领域具有广阔的应用前景。该改性填料及其制备方法无论对现有生物膜法进行废气废水处理、挥发性有机物净化与分离等领域的技术改造与升级，还是对新建生物膜滴滤净化系统投资及运行成本的降低和净化效果的提升，都具有重要指导意义。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明加以详细描述。

实施例1

将所述的陶粒用蒸馏水反复冲洗干净后，烘干2小时；用30% H₂SO₄溶液浸渍40小时，水洗至中性；将其置于烘箱中105oC烘干2小时左右；将烘干后的陶粒在尚未冷却条件下投入含有1.5mol/L FeCl₃溶液的改性剂中，浸渍40小时；将其置于烘箱中105oC烘干2小时；将浸渍、烘干的陶粒放人马弗炉中，在400oC温度下焙烧3小时，至室温下冷却；用蒸馏水冲洗干净，烘干2小时后，即成改性的陶粒填料。

经检测分析，对陶粒进行化学改性处理，改性后陶粒的性能参数为：密度2.5 g/cm³，比表面积0.8 m²/g，孔隙率0.7，等电点pH 9.0，表面pH 5.0。

实施例2

将所述的陶粒用蒸馏水反复冲洗干净后，烘干2小时；用30% H₂SO₄溶液浸渍20小时，水洗至中性；将其置于烘箱中105oC烘干2小时左右；将烘干后的陶粒在尚未冷却条件下投入含有0.5 mol/L FeCl₃溶液的改性剂中，浸渍20小时；将其置于烘箱中105oC烘干2小时；将浸渍、烘干的陶粒放人马弗炉中，在300oC温度下焙烧1小时，至室温下冷却；用蒸馏水冲洗干净，烘干2小时后，即成改性的陶粒填料。

经检测分析，对陶粒进行化学改性处理，改性后陶粒的性能参数为：密度2.12 g/cm³，比表面积0.45 m²/g，孔隙率0.57，等电点pH 7.56，表面pH 5.96。

实施例3

将所述的陶粒用蒸馏水反复冲洗干净后，烘干2小时；用30% H₂SO₄溶液浸渍20小时，水洗至中性；将其置于烘箱中105oC烘干2小时左右；将烘干后的陶粒在尚未冷却条件下投入含有1 mol/L FeCl₃溶液的改性剂中，浸渍40小时；将其置于烘箱中105oC烘干2小时；将浸渍、烘干的陶粒放人马弗炉中，在500oC温度下焙烧3小时，至室温下冷却；用蒸馏水冲洗干净，烘干2小时后，即成改性的陶粒填料。

经检测分析，对陶粒进行化学改性处理，改性后陶粒的性能参数为：密度2.43 g/cm³，比表面积0.68 m²/g，孔隙率0.65，等电点pH 8.4，表面pH 5.2。

实施例4

将所述的陶粒用蒸馏水反复冲洗干净后，烘干2小时；用30% H₂SO₄溶液浸渍20小时，水洗至中性；将其置于烘箱中105oC烘干2小时左右；将烘干后的陶粒在尚未冷却条件下投入含有2 mol/L FeCl₃溶液的改性剂中，浸渍20~40小时；将其置于烘箱中105oC烘干2小时；将浸渍、烘干的陶粒放人马弗炉中，在700oC温度下焙烧5小时，至室温下冷却；用蒸馏水冲洗干净，烘干2小时后，即成改性的陶粒填料。

经检测分析，对陶粒进行化学改性处理，改性后陶粒的性能参数为：密度2.16 g/cm³，比表面积0.47 m²/g，孔隙率0.52，等电点pH 7.85，表面pH 6.0。

实施例5

将所述的陶粒用蒸馏水反复冲洗干净后，烘干2小时；用30% H₂SO₄溶液浸渍20小时，水洗至中性；将其置于烘箱中105oC烘干2小时左右；将烘干后的陶粒在尚未冷却条件下投入含有1 mol/L FeCl₃溶液的改性剂中，浸渍40小时；将其置于烘箱中105oC烘干2小时；将浸渍、烘干的陶粒放人马弗炉中，在400oC温度下焙烧2小时，至室温下冷却；用蒸馏水冲洗干净，烘干2小时后，即成改性的陶粒填料。

对陶粒进行化学改性处理，改性后陶粒的性能参数为：密度2.238 g/cm³，比表面积0.72 m²/g，孔隙率0.60，等电点pH 8.50，表面pH 5.63。

应用例1：

以实施例1中的改性陶粒为填充填料，采用塔内挂膜法，进行生物膜的制备。将富含高浓度脱硫菌种的营养液分别注入改性后的生物滴滤中。改性陶粒的挂膜时间为8天，其最大生物量为1.587 mg/g。

以改性陶粒为填充填料，生物膜滴滤塔中，当温度30 ℃，气体流量为180 L/h，SO₂浓度为2000 mg/m³，填料高度为900 mm，Fe³⁺浓度0.8 g/L，初始pH值为1.8，液体喷淋量为6 L/h，测定脱硫率为100 %。

应用例2

以实施例2中的改性陶粒为填充填料，采用塔内挂膜法，进行生物膜的制备。改性陶粒的挂膜时间为12天，其最大生物量为1.358 mg/g。

以改性陶粒为填充填料，生物膜滴滤塔中，当温度30 ℃，气体流量为180 L/h，SO₂浓度为2000 mg/m³，填料高度为900 mm，Fe³⁺浓度0.8 g/L，初始pH值为1.8，液体喷淋量为6 L/h，测定脱硫率为75.9 %。

应用例3

以实施例3中的改性陶粒为填充填料，采用塔内挂膜法，进行生物膜的制备。改性后陶粒挂膜时间为10天，其最大生物量为1.523 mg/g。

以改性陶粒为填充填料，生物膜滴滤塔中，温度28 ℃，气体流量为180 L/h，SO₂浓度为2000 mg/m³，填料高度为900 mm，Fe³⁺浓度0.8 g/L，初始pH值为1.8，液体喷淋量为6 L/h，测定脱硫率为90.9 %。

通过实施例与应用例结果可以看出，表明经改性的陶粒为填料，增加其比表面积和亲水性，提高单位体积填料的生物容量；加大其孔隙率，扩大气体与生物的接触面，提高污染物在生物膜滴滤塔内的传质速率，提高脱硫效率。

Claims

1.一种陶粒填料，其特征在于对普通的陶粒进行化学改性处理，处理后的陶粒物化性能参数为：密度2.1~2.5 g/cm³，比表面积0.4~0.8 m²/g，孔隙率0.5~0.7，等电点pH 7.5~9.0，表面pH 5.0~6.0。

2.一种陶粒填料的化学改性方法，其特征在于：将陶粒洗净后烘干；用10%~30% H₂SO₄溶液浸渍20~40小时，水洗至中性；烘干后置于改性剂中浸渍20~40小时；烘干后焙烧，冷却，洗涤，烘干，即成改性的陶粒填料。

3.如权利要求2所述陶粒填料，其特征在于所述的改性剂为硝酸铁、氯化铁、硫酸铝、氯化铝中的一种。

4.如权利要求2或3所述陶粒填料，其特征在于所述的改性剂浓度为0.5mol/L~2 mol/L。

5.如权利要求2所述陶粒填料，其特征在于焙烧温度为300oC~700oC，焙烧时间为1~5小时。

6.如权利要求2所述陶粒填料，其特征在于陶粒浸渍于改性剂的温度为60oC~100oC。

7.如权利要求2所述陶粒填料，其特征在于烘干温度为100oC~120oC，时间为2~4小时。