CN105217781A - 一种天然高分子基水处理材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然高分子基水处理材料及其制备方法，制备方法包括如下步骤：(1)将丝瓜络经碱处理后用去离子水冲洗至中性，晾干；(2)将晾干后的丝瓜络先用单体处理后再进行等离子体表面处理；或将晾干后的丝瓜络采用单体与等离子体同时进行表面处理；(3)将经步骤(2)处理后的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应，水浴反应所得产品用去离子水洗净后即得。本发明对丝瓜络先进行疏水改性以大大延长其使用周期，再通过表面阳离子化过程增强其微生物亲和性和亲水性，加快挂膜速度以实现高效处理污水。

Description

一种天然高分子基水处理材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种新型天然高分子基水处理材料的制备方法。

背景技术

填料在水处理领域独特的性能，国内外的水处理工作者一直不断的研制、开发、生产和应用各种不同的填料，提高水处理技术，满足各种需求。20世纪80年代以来，国内外陆续开发了许多种类的填料，包括弹性填料、生物填料、纤维填料以及各种新型填料等，各种填料由于自身的特点，有着不同的优势和劣势，为水处理提供了选择的空间。但是随着水处理标准和水处理技术的发展，常规的填料已经不足以满足目前水处理技术需求，并且资源短缺和环境污染已成为当今世界两个主要的问题，因此，开发环境友好、处理性能良好、价格低廉的填料具有很重要的现实意义。

丝瓜络纤维是丝瓜果实中的维管束，主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，它具有独特的多孔性物理结构和优良的机械强度，并在我国江、浙、沪、豫、赣、陕等很多地方广泛种植。丝瓜络纤维外观为中空圆柱体形，比表面积比较大，且呈现交织密布的天然网状结构，内部结构纤维规则分布，这种天然植物结构特性有利于生物膜挂膜，很适合作载体使用，能有效抵抗水力冲刷。最重要的是其价格便宜，具有广泛的水处理应用前景。

例如，公告号为CN203803168U的中国实用新型专利公开一种采用丝瓜络纤维进行污水一级A过滤处理或企业污水初步过滤处理的系统，包括丝瓜络过滤导水装置、缓冲水池，所述丝瓜络过滤导水装置设置在缓冲水池出水口处。

公告号为CN201003006Y的中国实用新型专利文献公开了一种丝瓜络载体生物接触氧化床，包括床体、支架、溢流堰、曝气管道、丝瓜络填料，用支架将丝瓜络填料悬放置氧化床中，丝瓜络填料与活性污泥相接触,在活性污泥的底部设有曝气管道，污水中的有机物在生物膜和悬浮污泥中微生物的联合作用下被吸附降解。

公开号为CN104446417A的发明专利公开了一种基于丝瓜络制备的多孔块状铁氧体及其制备方法，首先将完整的丝瓜络晒干，浸泡于铁氧体前驱液中；随后将产物在高温下热分解在植物脉络中原位合成铁氧体，从而得到具有一定机械强度的多孔块状铁氧体材料。制得的多孔块状铁氧体在吸附剂、难降解废水处理方面具有潜在的用途。

公开号为CN102086058A的发明专利介绍了一种用于微污染水源水生物预处理的丝瓜络填料及预处理方法：(1)将成熟丝瓜去皮、去籽,剪掉两端较细部分，将剩余部分剪成厚度2cm左右的柱状丝瓜络,用高强度玻璃纤维丝将其系牢并串联在一起，将其固定在反应器中作填料使用；(2)将接种污泥泵入反应器中与丝瓜络填料充分接触，采用连续进水、连续出水、持续曝气的方式对丝瓜络上的微生物进行培养、驯化后,用蠕动泵将微污染源水泵入反应器，反应器底部曝气装置持续曝气，软性丝瓜络填料上的微生物将水中有机物和氨氮氧化去除。

但丝瓜络作为一种纯天然的高分子材料，直接应用于水处理中容易造成过快降解，需要频繁更换，造成出水水质的不稳定，在工程应用上受到了一定的限制。

发明内容

为了延长丝瓜络材料的使用寿命，本发明提供一种天然高分子基水处理材料及其制备方法。

一种天然高分子基水处理材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将丝瓜络经碱处理后用去离子水冲洗至中性，晾干；

(2)将晾干后的丝瓜络先用单体处理后再进行等离子体表面处理；或将晾干后的丝瓜络采用单体与等离子体同时进行表面处理；(3)将经步骤(2)处理后的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应，水浴反应所得产品用去离子水洗净后即得。

本发明对丝瓜络先进行疏水改性以大大延长其使用周期，再通过表面阳离子化过程增强其微生物亲和性和亲水性，加快挂膜速度以实现高效处理污水。据此方法所制备材料可作为微生物挂膜载体用于城镇生活污水治理、工业废水处理、生态沟渠、河道、湖泊以及其它受污染景观水体的修复领域，实现水资源的循环和资源再利用。

碱处理是为了去除丝瓜络表面的果胶等杂物，利于后续处理；优选地，所述碱处理为：在质量浓度为1-6％的碱液中处理1-3h。进一步地，所述碱液为NaOH溶液。

优选地，所述低表面能单体有机硅、有机氟和硅氟材料中的的一种或几种的混合物。进一步优选地，所述有机硅为硅烷偶联剂；所述有机氟为CF₄。

所述低表面能单体可以为气态和液态，当所述低表面能单体为液态时，步骤(2)中采用的处理方式为：将晾干后的丝瓜络先用单体处理后再进行等离子体表面处理；当所述低表面能单体为气态时，步骤(2)中选择的处理方式为：或将晾干后的丝瓜络采用单体与等离子体同时进行表面处理。

进一步优选地，步骤(2)中选择第一种处理方式时：先将晾干后的丝瓜络在液态低表面能单体中浸泡，洗净烘干后在固定频率为13.56MHZ、功率为50-200W下进行等离子体表面处理30-300s。

更进一步地，丝瓜络在液态低表面能单体中浸泡时间为30～120min，洗净后在45-75℃下烘干。

液态低表面能单体的质量浓度为3～8％。

进一步优选地，步骤(2)中选择第二种处理方式时：在固定频率为13.56MHZ、功率为50-200W下将晾干后的丝瓜络在通入气态低表面能单体的氛围中进行等离子体表面处理30-300s。

更进一步优选地，气态低表面能单体的通入速度为5-80sccm。

在除丝瓜络表面的果胶等杂物后，本发明借助等离子体技术，通过辅助低表面能单体物质，对材料表面进行疏水改性，实现丝瓜络表面疏水，延长使用寿命；

本发明中在对丝瓜络进行表面疏水改性后再对材料进行表面阳离子化，以增强材料的的生物亲和性，利于微生物挂膜。优选地，所述的金属盐溶液为铁盐、铝盐和钙盐中的至少一种。金属盐溶液的质量浓度为3～7％。

优选地，水浴处理时间为30～90min，水浴处理温度为45-75℃。

最优选的制备方法如下：

(1)将丝瓜络在质量浓度为2％的碱液中处理1h后，用去离子水冲洗至中性晾干备用；

(2)固定频率为13.56MHZ,功率设置为100W，反应时间为180s，将上述烘干后的丝瓜络在通入气态低表面能单体进气速度为20sccm的条件下进行等离子体表面处理；低表面能物质为CF₄；

(3)等离子体处理后，将取出的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应90min，金属盐溶液为CaCl₂，质量浓度为3％；去离子水洗涤制备后的产品即为强化的水处理材料。

该方案制备后的强化水处理材料固定安装于连续运行的生物膜好氧反应器中处理厂区生活污水，结果表明其使用寿命较原材料延长可远超过3年，单位挂膜量较立体弹性填料增加约35％，对COD、TN的平均去除率分别达到95％与90％。

本发明还提供一种如所述制备方法制备得到的天然高分子基水处理材料。

本发明首先对天然丝瓜络进行碱处理以去除表面杂质，进而再借助等离子体技术，通过辅助低表面能单体物质，对材料表面进行疏水改性，实现丝瓜络表面疏水，延长使用寿命；再进一步对材料进行表面阳离子化，以增强材料的生物亲和性，利于微生物挂膜。各处理步骤之间相互协同，共同作用，使制备的水处理产品既保留了原材料的三维立体结构，便于微生物附着，又增强了其实际应用和工程使用寿命，且相对一般的弹性填料、软性填料以及具有有机高分子合成材料成分的人工水草等有更多的微生物挂膜量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、整个制备过程步骤简单，由于原材料便宜易得，因此产品成本较低；

2、制备的产品既保留了原材料的三维立体结构，便于微生物附着，又增强了其实际应用和工程使用寿命，且相对一般的弹性填料、软性填料以及具有有机高分子合成材料成分的人工水草等有更多的微生物挂膜量；

3、丝瓜络材料可根据具体污水处理工艺所需，通过切割加工等制备成各种形状，作为生活污水、工业废水处理设施厌氧、好氧单元填料，沟渠、河道、湖泊地表景观水的人工水草载体等方面，实现水资源的再循环利用。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种新型天然高分子基水处理材料的制备方法，其步骤是：

1)将丝瓜络在质量浓度为3％的碱液中处理2h后，用去离子水冲洗至中性晾干备用；

2)将上述经风干后的丝瓜络用5％低表面能单体处理120min后洗净并于55℃下烘干；低表面能物质为硅烷偶联剂KH-550；

3)固定频率为13.56MHZ,功率设置为100W，反应时间为60s，将上述烘干后的丝瓜络进行等离子体表面处理；

4)等离子体处理后，将取出的丝瓜络迅速置于金属盐溶液中水浴反应30min，去离子水洗涤制备后的产品即为强化的水处理材料，金属盐溶液为FeCl₃，质量浓度为5％。

本实例中，制备后的强化水处理材料悬挂固定于生态沟渠中处理农业面源污染，结果表明其使用寿命较原材料延长超过12个月，单位挂膜量较立体弹性填料增加约30％，对COD、TN的平均去除率分别大于50％与45％。

实施例2

一种新型天然高分子基水处理材料的制备方法，其步骤是：

1)将丝瓜络在质量浓度为5％的碱液中处理1h后，用去离子水冲洗至中性晾干备用；

2)将上述经风干后的丝瓜络用8％低表面能单体处理60min后洗净并于55℃下烘干；低表面能物质为硅烷偶联剂KH-550；

3)固定频率为13.56MHZ,功率设置为300W，反应时间为120s，将上述烘干后的丝瓜络进行等离子体表面处理；

4)等离子体处理后，将取出的丝瓜络迅速置于金属盐溶液中水浴反应30min，去离子水洗涤制备后的产品即为强化的水处理材料，金属盐溶液为FeCl₃，质量浓度为7％。

本实例中，制备后的强化水处理材料悬挂固定于生态沟渠中处理农业面源污染，结果表明其使用寿命较原材料延长超过12个月，单位挂膜量较立体弹性填料增加约30％，对COD、TN的平均去除率分别大于48％与47％。

实施例3

1)将丝瓜络在质量浓度为2％的碱液中处理1h后，用去离子水冲洗至中性晾干备用；

2)固定频率为13.56MHZ,功率设置为100W，反应时间为180s，将上述烘干后的丝瓜络在通入气态低表面能单体进气速度为20sccm的条件下进行等离子体表面处理；低表面能物质为CF₄；

3)等离子体处理后，将取出的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应90min，金属盐溶液为CaCl₂，质量浓度为3％；去离子水洗涤制备后的产品即为强化的水处理材料。

本实例中，制备后的强化水处理材料固定安装于连续运行的生物膜好氧反应器中处理厂区生活污水，结果表明其使用寿命较原材料延长可远超过3年，单位挂膜量较立体弹性填料增加约35％，对COD、TN的平均去除率分别达到95％与90％。

实施例4

1)将丝瓜络在质量浓度为5％的碱液中处理2h后，用去离子水冲洗至中性晾干备用；

2)固定频率为13.56MHZ,功率设置为500W，反应时间为30s，将上述烘干后的丝瓜络在通入气态低表面能单体进气速度为50sccm的条件下进行等离子体表面处理；低表面能物质为CF₄；

3)等离子体处理后，将取出的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应90min，金属盐溶液为CaCl₂，质量浓度为4％。去离子水洗涤制备后的产品即为强化的水处理材料。

本实例中，制备后的强化水处理材料固定安装于连续运行的生物膜好氧反应器中处理厂区生活污水，结果表明其使用寿命较原材料延长可远超过3年，单位挂膜量较立体弹性填料增加约32％，对COD、TN的平均去除率分别达到90％与90％。

Claims (9)

1.一种天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将丝瓜络经碱处理后用去离子水冲洗至中性，晾干；

(2)将晾干后的丝瓜络先用单体处理后再进行等离子体表面处理；或将晾干后的丝瓜络采用单体与等离子体同时进行表面处理；

(3)将经步骤(2)处理后的丝瓜络置于金属盐溶液中水浴反应，水浴反应所得产品用去离子水洗净后即得。

2.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，所述碱处理为：在质量浓度为1-6％的碱液中处理1-3h。

3.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，所述单体为有机硅、有机氟和硅氟材料中的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中选择第一种处理方式时：先将晾干后的丝瓜络在液态单体中浸泡，洗净烘干后在固定频率为13.56MHZ、功率为50-200W下进行等离子体表面处理30-300s。

5.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中选择第二种处理方式时：在固定频率为13.56MHZ、功率为50-200W下将晾干后的丝瓜络在通入气态单体的氛围中进行等离子体表面处理30-300s。

6.根据权利要求5所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，气态单体的通入速度为5-80sccm。

7.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，所述的金属盐溶液为铁盐、铝盐和钙盐中的至少一种。

8.根据权利要求1所述天然高分子基水处理材料的制备方法，其特征在于，水浴处理时间为30～90min，水浴处理温度为45-80℃。

9.一种如权利要求1～8任一权利要求所述制备方法制备得到的天然高分子基水处理材料。