CN106630581A - 一种微生物载体玄武岩纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物载体玄武岩纤维材料及其制备方法，本发明利用高能射线和改性剂对玄武岩纤维表面进行处理，破坏玄武岩纤维表面化学键，形成表面缺陷，增加活性位点，降低表面能，从而使玄武岩纤维表面与微生物的键合能力增强，增加微生物的负载量，进而提高微生物负载净化材料的净化效率。

Description

一种微生物载体玄武岩纤维材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及微生物纤维载体材料领域，具体涉及一种微生物载体玄武岩纤维材料及其制备方法。
背景技术
玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。
玄武岩纤维具有的优异耐水性、耐腐蚀性、生物亲和性、绿色无污染特点符合水质净化领域对载体材料性能的要求，因而玄武岩纤维作为微生物载体材料未来在水体净化领域具有广阔的应用前景；现今，玄武岩纤维作为水质净化的载体材料在治理水体污染领域已进行了大量的应用实验，也取得了良好的应用效果，对水体的净化具有促进作用，但由于玄武岩纤维表面光滑、表面能高，活性位点少，从而造成与微生物的机械联锁和化学键合能力差，微生物难以附着，因此，直接采用玄武岩纤维作为微生物水体净化材料载体具有微生物负载量小、附着力弱、净化效率低的缺点，不利于玄武岩纤维在水体净化领域的大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服由于玄武岩纤维表面能高、与微生物的化学键合能力差造成的直接采用玄武岩纤维作为微生物水体净化材料载体具有微生物负载量小，附着力弱的缺点，提供一种微生物载体玄武岩纤维材料及其制备方法；本发明利用高能射线和改性剂对玄武岩纤维表面进行处理，破坏玄武岩纤维表面化学键，形成表面缺陷，增加活性位点，降低表面能，从而使玄武岩纤维表面与微生物的键合能力增强，增加微生物的负载量，进而提高微生物负载净化材料的净化效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在改性剂中用高能射线进行表面处理；
（5）将步骤4得到的经过高能射线处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，步骤4中所述改性剂为乙醇溶液、乙酸溶液、甲酸溶液、柠檬酸、酒石酸溶液中的一种或多种。
一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，本发明利用高能射线引发玄武岩纤维表面的化学键断裂，既能形成新的活性位点，从而增加了能与微生物键合的位点数量，增加微生物负载量，还能降低玄武岩纤维表面能，使微生物与玄武岩的键合力更大，从而减少微生物的脱落；并且，在高能射线的作用下，改性剂中的亲水基团能接枝在玄武岩纤维表面，从而玄武岩纤维的生物亲和性更好，微生物更容易繁殖和扩散；本发明方法能显著增加玄武岩纤维材料的微生物负载量，降低微生物脱落量，促进微生物在玄武岩纤维载体材料上的生长繁殖，从而提高了微生物负载净化材料的水体净化效率，本发明方法简单、可靠，适合微生物载体玄武岩纤维材料的大规模、工业化生产。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤1中所述的玄武岩矿石粉体粒径为0.1-2mm，粒径越小，加热熔融时速度越快，耗能越低，但粉碎成本增加优选的，所述玄武岩矿石粉体粒径为0.5-1mm。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤2中所述的熔融温度为1100-1500℃，温度过低，熔融速度慢，耗时长，耗能高，温度过高，对设备要求高，设备成本增加；优选的，所述熔融温度为1250-1350℃。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤3中所述的拉丝的速度为1500-3000m/min，拉丝速度过快，拉伸张力过大，会造成纤维断裂；拉丝速度过慢，得到的玄武岩纤维直径较大，不利于玄武岩纤维的应用。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤3中所述的玄武岩纤维原丝直径控制在1-20μm，原丝直径过大，冷却慢，造成纤维内外应力分布不仅，纤维缺陷大，不利于实际应用，原丝直径过小，拉丝工艺操作困难，容易断裂；优选的，所述的玄武岩纤维原丝直径控制在5-10μm。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤4中所述的表面处理时温度控制在50-100℃，温度越高，反应速度越快，处理效果越好，但温度过高，表面处理程度控制困难，产品质量不稳定；优选的，所述的表面处理温度控制在60-80℃。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤4中所述的高能射线为紫外线、电子束、X射线中的一种，能引发玄武岩纤维表面的化学键断裂，能形成新的活性位点。
上述一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其中步骤4中所述的表面处理过程中，玄武岩纤维原丝接受的高能射线当量剂量为0.01Sv-50Sv，接受的当量剂量越大，对玄武岩纤维原丝表面的处理程度越大，活性位点越多，但玄武岩纤维物化性能降低，使用寿命大大缩短；优选的，玄武岩纤维原丝接受的高能射线当量剂量为0.1Sv-10Sv。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种微生物载体玄武岩纤维材料，所述微生物载体玄武岩纤维材料是通过上述制备方法制备得到的；通过上述制备方法制备的得到的微生物载体玄武岩纤维材料，具有微生物负载量大，不易脱落，微生物生长繁殖速度快的特点，能提高微生物负载净化材料对水体的净化效率，有利于微生物载体玄武岩纤维材料在水体净化领域的大规模利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明方法利用高能射线引发玄武岩纤维表面的化学键断裂，形成了新的活性位点，从而增加了能与微生物键合的位点数量，增加微生物负载量。
2、本发明方法利用高能射线引发玄武岩纤维表面的化学键断裂，降低玄武岩纤维表面能，使微生物与玄武岩的键合力更大，从而减少微生物的脱落。
3、本发明方法使改性剂中的亲水基团能接枝在玄武岩纤维表面，从而玄武岩纤维的生物亲和性更好，微生物更容易生长繁殖和扩散。
4、本发明方法简单、可靠，适合微生物载体玄武岩纤维材料的大规模、工业化生产。
5、本发明微生物载体玄武岩纤维材料，具有微生物负载量大，不易脱落，微生物生长繁殖速度快的特点，能提高微生物负载净化材料对水体的净化效率。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为60℃的乙醇溶液中用紫外线进行表面处理，玄武岩纤维原丝接受的紫外线当量剂量控制在0.1Sv；
（5）将步骤4得到的经过紫外线处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料。
实施例2
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为1.0mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1350℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2500m/min的速度下进行拉丝，得到直径为10μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为100℃的乙酸溶液中用X射线进行表面处理，玄武岩纤维原丝接受的X射线当量剂量控制在10Sv；
（5）将步骤4得到的经过X射线处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料。
实施例3
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.1mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1100℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在3000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为1μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为80℃的酒石酸溶液中用紫外线进行表面处理，玄武岩纤维原丝接受的紫外线当量剂量控制在0.01Sv；
（5）将步骤4得到的经过紫外线处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料。
实施例4
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为2mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1500℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在1500m/min的速度下进行拉丝，得到直径为20μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为50℃的柠檬酸溶液中用高能电子束进行表面处理，玄武岩纤维原丝接受的高能电子束当量剂量控制在50Sv；
（5）将步骤4得到的经过高能电子束处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料。
对比例1
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝用紫外线进行表面处理，玄武岩纤维原丝接受的紫外线当量剂量控制在0.1Sv；
（5）将步骤4得到的经过紫外线处理的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维材料。
对比例2
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为60℃的乙醇溶液中进行表面处理；
（5）将步骤4得到的经乙醇溶液处理的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维材料。
对比例3
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维材料。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的玄武岩纤维材料分别进行枯草芽孢杆菌的负载实验，负载时间为12h，对负载的玄武岩纤维上的枯草芽孢杆菌数量进行检测，记录；将负载好的玄武岩纤维用20kHz的超声波处理20s后，再次检测负载的枯草芽孢杆菌数量；记录数据如下：
编号 负载12h后细菌数量（×109个/g） 超声波处理后细菌数量（×109个/g）
实施例1 86 43
实施例2 81 42
实施例3 85 40
实施例4 83 41
对比例1 62 14
对比例2 36 21
对比例3 33 5
由上述实验数据可知，实施例1-4采用本发明方法制备得到的玄武岩纤维微生物负载量大，其负载量明显大于对比例；同时，经超声波处理后，细菌保留率（处理后细菌数量÷处理前细菌数量×100%）分别为50%、52%、47%和49%，而对比例细菌保留率分别为23%、58%和15%；对比例1中没有采用改性剂对玄武岩纤维原丝进行处理，即虽然同样增加了纤维表面的活性位点和降低了一定的表面能，但没有亲水基团接枝在纤维表面，细菌的键接数量和键接力与实施例相比均有所减弱，从而造成对比例1中玄武岩纤维的细菌负载的量降低，保留率显著降低；对比例2中没有采用紫外线处理，玄武岩纤维表面活性位点没有增加，从而造成对比例2中玄武岩纤维的细菌负载的量显著降低；对比例3中既没有用改性剂处理，也没有用紫外线处理，玄武岩纤维表面光滑、活性位点少、表面能高，细菌难以键合，从而，对比例3中细菌负载量和保留率均显著降低。

Claims (10)

1.一种微生物载体玄武岩纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在改性剂中用高能射线进行表面处理；
（5）将步骤4得到的经过高能射线处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体玄武岩纤维材料；
步骤4中所述改性剂为乙醇溶液、乙酸溶液、甲酸溶液、柠檬酸、酒石酸溶液中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的玄武岩矿石粉体粒径为0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中熔融温度控制在1100-1500℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中拉丝的速度控制在1500-3000m/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中玄武岩纤维原丝直径控制在1-20μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中表面处理时温度控制在50-100℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的高能射线为紫外线、电子束、X射线中的一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中玄武岩纤维原丝接受的高能射线当量剂量为0.01Sv-50Sv。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤4中玄武岩纤维原丝接受的高能射线当量剂量为0.1Sv-10Sv。
10.一种微生物载体玄武岩纤维材料，其特征在于，是通过权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的。
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