CN105692892A - 一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法 - Google Patents

一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，包括如下步骤：将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，所述氧化剂为浓硫酸、硝酸或二者的混合溶液。本发明所述亲水性塑料填料液相氧化改性方法从材料的改性着手，依据材料表面的疏水性，引入亲水基团，从而改善材料表面的亲水性，即将塑料填料浸泡在不同温度、时间、浓度的酸液中可提高塑料填料的亲水性，也是本发明用于改善塑料填料表面亲水性能的方法。

Description

一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法
技术领域
本发明涉及一种填料的改性方法，特别是涉及一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，主要用于生物膜反应器填料的改性。
背景技术
生物膜反应器是在反应器中添加各种填料以便微生物附着生长使在填料上形成了一层生物构成的类似于膜的结构的反应器。目前，该技术在生活污水、工业废水处理中应用比较广。
填料是影响生物膜反应器水处理性能的主要因素，填料的材质有多种，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和陶瓷等材质；填料的形状也有多种，如：鲍尔环、多面空心球和K3等形式。目前市场上常见的填料为高分子聚合物直接注塑而成的各种形状的普通填料，但这些聚合高分子材质的填料亲水性能和生物亲和性较差，使微生物不易附着，导致在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面较差。
填料常用的改性方法有：表面改性和共混改性。表面改性主要是用化学或物理方法在填料表面接枝上一些有用的官能团，提高填料的挂膜性能，其改性方向主要为表面亲水化和表面带电改性；共混改性主要是在在填料制作过程中加入一些添加剂进行改性，使改性物质均匀的分散到填料内部，其改性方向主要为亲水改性、生物亲和改性、活性炭改性和磁化改性。
表面改性的研究主要有空气氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法。液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体，对材料表面进行氧化处理，使材料表面变粗糙或极性基团(羧基、羟基等含氧基团)增多，从而提高材料表面性能且液相氧化处理较其它氧化法处理比较温和。
现有的改性方法具有如下缺点：塑料填料表面呈疏水性、使其在MBBR工艺中挂膜周期长、影响微生物在膜表面的生长状态和附着量、生物菌群的生长结构以及微生物膜对废水的处理效果不佳。
发明内容
本发明的目的就是为了克服和解决现有的塑料填料表面呈疏水性、使其在MBBR工艺中挂膜周期长、影响微生物在膜表面的生长状态和附着量、生物菌群的生长结构以及微生物膜对废水的处理效果的问题。
针对以上缺点及问题，研究发明一种常用聚乙烯、聚丙烯等塑料填料表面亲水性改性的制备方法，它从材料的改性着手，依据材料表面的疏水性，引入亲水基团，从而改善材料表面的亲水性，即将塑料填料浸泡在不同温度、时间、浓度的酸液中可提高塑料填料的亲水性，也是本发明用于改善塑料填料表面亲水性能的方法。
一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，包括如下步骤：将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，所述氧化剂为浓硫酸、硝酸或二者的混合溶液。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中，所述氧化剂为浓度18mol/L的浓硫酸，液相氧化改性的温度为40℃～100℃、时间为0.25～24h。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中，所述氧化剂为浓度1mol/L的硝酸，液相氧化改性的温度为80～100℃、时间为1～6h。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中，所述氧化剂为浓硫酸和硝酸的混合溶液、温度为室温～40℃、时间为4～10h、浓硫酸和硝酸的摩尔浓度比为(0.25～1)：18。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中，所述浓硫酸的浓度为18mol/L，所述硝酸的浓度为1mol/L。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中，所述塑料填料为PP、PE、PVC中的一种或几种的混合物。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其中：
进行液相氧化改性前，对所述塑料填料进行预处理，具体包括如下步骤：将塑料填料依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中分别清洗15min，自然晾干备用；采用本发明的预处理方法能有效地清除塑料填料表面的有机物，清洗效果好。
进行液相氧化后，对所述塑料填料进行后处理，具体包括如下步骤：用PBS磷酸盐缓冲溶液充分洗涤所述塑料填料，直至填料表面呈中性，自然晾干得到产品。本发明的后处理方法的优点：主要是让填料表面的pH呈中性，易于微生物附着。
本发明所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法得到的产品，即改性后的亲水性塑料填料。
本发明所述的改性后的亲水性塑料填料在污水处理中的应用。
本发明所述的应用，在缺氧条件下，采用MBBR反应器进行污水处理，在所述MBBR反应器中包括改性后的亲水性塑料填料，蠕动泵连续进排水方式运行，HRT为8h，填料填充率为30％，搅拌速率控制在80r·min-1，以甲醇作为补充碳源，投加量为25mg·L-1，COD/N比＝8。
本发明亲水性塑料填料液相氧化改性方法与现有技术不同之处在于，具有如下的优点和有益效果：
(1)通过采用FELQuanta200FEG场发射扫描电子显微镜来观察，未改性的塑料填料表面光滑，而用本发明制作的填料表面粗糙、出现了一些不规则的刻蚀凹槽、凹凸不平，表面不平整，粗糙度加大，表面积增加。在应用于水和废水处理过程中，表面的粗糙将有利于微生物在填料表面的附着挂膜；(2)通过JC2000D静滴接触角/界面张力测量仪测量，氧化剂为硫酸时，本发明制作的填料比未改性的塑料填料表面静态接触角降低了约20％～26％；氧化剂为硝酸时，本发明制作的填料比未改性的塑料填料表面静态接触角降低了约14％～24％氧化剂为硝酸-硫酸混合液时，本发明制作的填料比未改性的塑料填料表面静态接触角降低了约25％～47％。本发明制作的填料接触角有较大程度的降低，表明表面亲水性能得到明显改善；(3)将填料放入膜生物反应器中进行试验，填料的投配比30％：①缺氧条件下，改性后的填料较未改性后的填料反应器启动至运行稳定时间缩短了53％～61％，改性后的填料在系统运行三天便能观察到明显的挂膜现象，而常用的PE填料则难以观察到明显的挂膜现象。挂膜达到稳定时，改性后的填料较未改性的填料相比：NO3-N的平均去除率提高了11.02％～31.85％，COD的平均去除率提高了11.4％～26.27％；②好氧条件下，改性后的填料较未改性后的填料反应器启动至运行稳定时间缩短了35％～56％，改性后的填料在系统运行不到两天的时间内便能观察到明显的挂膜现象，而常用的PE填料则难以观察到明显的挂膜现象。挂膜达到稳定时，改性后的填料较未改性的填料相比：NH4-N的平均去除率提高了8.84％～14.855％，COD的平均去除率提高了8.64％～30％。
结果表明表面改性不仅强化了硝化作用，同时促进了反硝化作用。
下面结合具体实施例对本发明的亲水性塑料填料液相氧化改性方法作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，包括如下步骤：将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，氧化剂为浓度18mol/L的浓硫酸，液相氧化改性的温度为60℃、时间为6h，塑料填料为PP、PE、PVC中的一种或几种的混合物。
进行液相氧化改性前，对塑料填料进行预处理，具体包括如下步骤：将塑料填料依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中分别清洗15min，自然晾干备用；
进行液相氧化后，对塑料填料进行后处理，具体包括如下步骤：用PBS磷酸盐缓冲溶液充分洗涤塑料填料，直至填料表面呈中性，自然晾干得到产品。
通过JC2000D静滴接触角/界面张力测量仪测量接触角降低20％～26％，通过采用FELQuanta200FEG场发射扫描电子显微镜来观察，填料表面出现了一些不规则的刻蚀凹槽、凹凸不平，表面不平整，粗糙度加大，表面积增加；在应用于水和废水处理过程中，挂膜达到稳定时，氨氮的去除率及COD的去除率均有所提高。
实施例2
与实施例1不同之处在于：液相氧化改性的温度为40℃、时间为24h，其他同实施例1。
实施例3
与实施例1不同之处在于：液相氧化改性的温度为100℃、时间为0.25h，其他同实施例1。
实施例4
一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，包括如下步骤：将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，氧化剂为浓度1mol/L的硝酸，液相氧化改性的温度为80℃、时间为6h，塑料填料为PP、PE、PVC中的一种或几种的混合物。
进行液相氧化改性前，对塑料填料进行预处理，具体包括如下步骤：将塑料填料依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中分别清洗15min，自然晾干备用；
进行液相氧化后，对塑料填料进行后处理，具体包括如下步骤：用PBS磷酸盐缓冲溶液充分洗涤塑料填料，直至填料表面呈中性，自然晾干得到产品。
通过JC2000D静滴接触角/界面张力测量仪测量接触角降低14％～24％，通过采用FELQuanta200FEG场发射扫描电子显微镜来观察，填料表面出现了一些不规则的刻蚀凹槽、凹凸不平，表面不平整，粗糙度加大，表面积增加；在应用于水和废水处理过程中，挂膜达到稳定时，氨氮的去除率及COD的去除率均有所提高。
实施例5
与实施例4不同之处在于：液相氧化改性的温度为100℃、时间为1h，其他同实施例4。
实施例6
与实施例4不同之处在于：液相氧化改性的温度为90℃、时间为3h，其他同实施例4。
实施例7
一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，包括如下步骤：将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，氧化剂为浓硫酸和硝酸的混合溶液、温度为40℃、时间为6h、浓硫酸和硝酸的摩尔浓度比为1：18，浓硫酸的浓度为18mol/L，硝酸的浓度为1mol/L，塑料填料为PP、PE、PVC中的一种或几种的混合物。
进行液相氧化改性前，对塑料填料进行预处理，具体包括如下步骤：将塑料填料依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中分别清洗15min，自然晾干备用；
进行液相氧化后，对塑料填料进行后处理，具体包括如下步骤：用PBS磷酸盐缓冲溶液充分洗涤塑料填料，直至填料表面呈中性，自然晾干得到产品。
通过JC2000D静滴接触角/界面张力测量仪测量接触角降低25％～47％，通过采用FELQuanta200FEG场发射扫描电子显微镜来观察，填料表面出现了一些不规则的刻蚀凹槽、凹凸不平，表面不平整，粗糙度加大，表面积增加；在应用于水和废水处理过程中，挂膜达到稳定时，氨氮的去除率及COD的去除率均有所提高。
实施例8
与实施例7不同之处在于：液相氧化改性的温度为室温、时间为10h，浓硫酸和硝酸的摩尔浓度比为0.25：18，其他同实施例7。
实施例9
与实施例7不同之处在于：液相氧化改性的温度为30℃、时间为4h，浓硫酸和硝酸的摩尔浓度比为0.75：18，其他同实施例7。
本发明的亲水性塑料填料液相氧化改性方法得到的产品，即改性后的亲水性塑料填料，改性后的亲水性塑料填料在污水处理中应用，包括好氧条件和缺氧条件。
举例：在缺氧条件下，采用MBBR反应器进行污水处理，在MBBR反应器中包括改性后的亲水性塑料填料，蠕动泵连续进排水方式运行，HRT为8h，填料填充率为30％，搅拌速率控制在80r·min-1，以甲醇作为补充碳源，投加量为25mg·L-1，COD/N比＝8。
缺氧条件下，改性后的填料较未改性后的填料反应器启动至运行稳定时间缩短了53％～61％，改性后的填料在系统运行三天便能观察到明显的挂膜现象，而常用的PE填料则难以观察到明显的挂膜现象。挂膜达到稳定时，改性后的填料较未改性的填料相比：NO3-N的平均去除率提高了11.02％～31.85％，COD的平均去除率提高了11.4％～26.27％；
好氧条件下(处理方法采用常规的处理方法)，改性后的填料较未改性后的填料反应器启动至运行稳定时间缩短了35％～56％，改性后的填料在系统运行不到两天的时间内便能观察到明显的挂膜现象，而常用的PE填料则难以观察到明显的挂膜现象。挂膜达到稳定时，改性后的填料较未改性的填料相比：NH4-N的平均去除率提高了8.84％～14.855％，COD的平均去除率提高了8.64％～30％。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：包括如下步骤：
将塑料填料放入氧化剂中进行液相氧化改性后，自然晾干得到产品，所述氧化剂为浓硫酸、硝酸或二者的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：所述氧化剂为浓度18mol/L的浓硫酸，液相氧化改性的温度为40℃～100℃、时间为0.25～24h。
3.根据权利要求1所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：所述氧化剂为浓度1mol/L的硝酸，液相氧化改性的温度为80～100℃、时间为1～6h。
4.根据权利要求1所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：所述氧化剂为浓硫酸和硝酸的混合溶液、温度为室温～40℃、时间为4～10h、浓硫酸和硝酸的摩尔浓度比为(0.25～1)：18。
5.根据权利要求4所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：所述浓硫酸的浓度为18mol/L，所述硝酸的浓度为1mol/L。
6.根据权利要求1所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：所述塑料填料为PP、PE、PVC中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求6所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法，其特征在于：
进行液相氧化改性前，对所述塑料填料进行预处理，具体包括如下步骤：将塑料填料依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中分别清洗15min，自然晾干备用；
进行液相氧化后，对所述塑料填料进行后处理，具体包括如下步骤：用PBS磷酸盐缓冲溶液充分洗涤所述塑料填料，直至填料表面呈中性，自然晾干得到产品。
8.权利要求1～7中任意一项权利要求所述的亲水性塑料填料液相氧化改性方法得到的产品，即改性后的亲水性塑料填料。
9.权利要求8所述的改性后的亲水性塑料填料在污水处理中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：在缺氧条件下，采用MBBR反应器进行污水处理，在所述MBBR反应器中包括改性后的亲水性塑料填料，蠕动泵连续进排水方式运行，HRT为8h，填料填充率为30％，搅拌速率控制在80r·min-1，以甲醇作为补充碳源，投加量为25mg·L-1，COD/N比＝8。
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