CN107262042A - 一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维 - Google Patents

一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维 Download PDF

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Abstract

本发明涉及玄武岩纤维的研发制作技术领域，公开了一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为3‑5%的复合材料，通过压膜成型技术制备该改性玄武岩纤维，解决了现有水质净化处理中存在的效率低、成本高、操作复杂、对于低浓度金属及细菌污染物难以处理的问题，而改性后的玄武岩纤维通过物理‑化学吸附对水中低浓度的重金属离子、有机物及细菌有很好的去除效果，处理后的水质符合GB 5749‑85《生活饮用水标准》，去除率达到99.9%以上，具有良好的应用前景。

Description

一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维
技术领域
本发明属于玄武岩纤维的研发制作技术领域，具体涉及一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维。
背景技术
玄武岩纤维，是玄武岩石料在1450℃-1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，类似于玻璃纤维，其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间，纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色。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，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，通过漏板快速拉制而成的。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。此外，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。我国已把玄武岩纤维列为我国重点发展的四大纤维(玄武岩纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维)之一，在我国基本上实现了工业化生产。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。
由于其良好的性能和丰富的来源，目前对于玄武岩的研究较多，但是其在饮用水的净化上的开发应用鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，将其进行改性后，应用在饮用水的净化上，通过物理-化学吸附对水中低浓度的重金属离子、有机物及细菌有很好的去除效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为3-5%的复合材料，该复合材料的制备方法为：
（1）利用液相沉积法制备粒径大小为10-15纳米的纳米铝粉，向该纳米铝粉中加入2-3倍体积的去离子水，水浴加热至70-80℃，在此温度下进行水合反应，反应1-2小时后，在超声波清洗器中超声震荡50-60分钟，
（2）待溶液变为白色后，加入质量百分比为30-40%的聚乙烯醇溶液和质量百分比为5-8%的四氯化钛，继续超声震荡20-25分钟，将反应得到的白色混合物通过布氏漏斗过滤，得到的过滤物放入烘箱中烘干5-7小时；
（3）按照氧化石墨烯：水为1：3-4的比例混合，超声分散30-40分钟，加入质量百分数为10-15%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，在60-70℃下搅拌反应10-12小时，得到改性氧化石墨烯，与步骤（2）所得物按照1：4-5的比例混合均匀；
（4）将玄武岩石料在1450-1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以拉制的玄武岩纤维作为底衬，用压片机将步骤（3）所得的混合料与纤维均匀压制成型，立即在120-150℃的电热鼓风干燥箱中干燥12-14小时，即得所述可用于水质净化的改性玄武岩纤维。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（1）中所述的纳米铝粉的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.0-1.5mol的Al(NH4)(CO3)2溶解在0.3-0.5L的碳酰胺溶液中，加热至30-40℃，用磁力搅拌器搅拌15-20分钟混合反应得到白色沉淀；该碳酰胺溶液为25℃、常压下碳酰胺的饱和水溶液。
（2）将沉淀进行减压过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤6-8次，再将产物置于60-65℃真空干燥箱中干燥4-5小时，将干燥后的粉末放入温度为800-900℃中的马弗炉中煅烧6-8小时，自然冷却后放入冷冻室中干燥3-5小时，即得所述纳米铝粉。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（2）中烘箱的设定温度为50-60℃。
使用液相沉积法制备的纳米铝粉有较大的比表面积，能与待净化的水中的吸附质充分接触，以玄武岩纤维作为载体，纳米颗粒可以均匀的吸附在纤维上，而且数量较多，结合牢固，这种结构有利于对水中低浓度的重金属离子、有机物及细菌等污染物的吸附，能彻底除去绝大多数的水中有毒有害物。
氧化石墨烯具有特殊的二维晶体结构、质量轻且比表面积大，将氧化石墨烯引入到上纳米铝粉中，再涂覆于玄武岩纤维表面，可提高纤维表面吸附性能及增加纤维表面活性官能团含量，改善纤维与离子之间的界面性能，达到进一步提高水质净化率的效果。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了开发玄武岩纤维在水质净化上的应用，本发明公开了一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为3-5%的复合材料，通过压膜成型技术制备该改性玄武岩纤维，解决了现有水质净化处理中存在的效率低、成本高、操作复杂、对于低浓度金属及细菌污染物难以处理的问题，而改性后的玄武岩纤维通过物理-化学吸附对水中低浓度的重金属离子、有机物及细菌有很好的去除效果，处理后的水质符合GB 5749-85《生活饮用水标准》，去除率达到99.9%以上，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为3%的复合材料，该复合材料的制备方法为：
（1）利用液相沉积法制备粒径大小为10-15纳米的纳米铝粉，向该纳米铝粉中加入2倍体积的去离子水，水浴加热至70℃，在此温度下进行水合反应，反应1小时后，在超声波清洗器中超声震荡50分钟，
（2）待溶液变为白色后，加入质量百分比为30%的聚乙烯醇溶液和质量百分比为5%的四氯化钛，继续超声震荡20分钟，将反应得到的白色混合物通过布氏漏斗过滤，得到的过滤物放入烘箱中烘干5小时；
（3）按照氧化石墨烯：水为1：3的比例混合，超声分散30分钟，加入质量百分数为10%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，在60℃下搅拌反应10小时，得到改性氧化石墨烯，与步骤（2）所得物按照1：4的比例混合均匀；
（4）将玄武岩石料在1450℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以拉制的玄武岩纤维作为底衬，用压片机将步骤（3）所得的混合料与纤维均匀压制成型，立即在120℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，即得所述可用于水质净化的改性玄武岩纤维。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（1）中所述的纳米铝粉的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.0mol的Al(NH4)(CO3)2溶解在0.3L的碳酰胺溶液中，加热至30℃，用磁力搅拌器搅拌15分钟混合反应得到白色沉淀；
（2）将沉淀进行减压过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤6次，再将产物置于60℃真空干燥箱中干燥4小时，将干燥后的粉末放入温度为800-900℃中的马弗炉中煅烧6小时，自然冷却后放入冷冻室中干燥3小时，即得所述纳米铝粉。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（2）中烘箱的设定温度为50℃。
实施例2
一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为4%的复合材料，该复合材料的制备方法为：
（1）利用液相沉积法制备粒径大小为10-15纳米的纳米铝粉，向该纳米铝粉中加入2.5倍体积的去离子水，水浴加热至75℃，在此温度下进行水合反应，反应1.5小时后，在超声波清洗器中超声震荡55分钟，
（2）待溶液变为白色后，加入质量百分比为35%的聚乙烯醇溶液和质量百分比为6%的四氯化钛，继续超声震荡22分钟，将反应得到的白色混合物通过布氏漏斗过滤，得到的过滤物放入烘箱中烘干6小时；
（3）按照氧化石墨烯：水为1：3.5的比例混合，超声分散35分钟，加入质量百分数为12%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，在65℃下搅拌反应11小时，得到改性氧化石墨烯，与步骤（2）所得物按照1：4.5的比例混合均匀；
（4）将玄武岩石料在1480℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以拉制的玄武岩纤维作为底衬，用压片机将步骤（3）所得的混合料与纤维均匀压制成型，立即在135℃的电热鼓风干燥箱中干燥13小时，即得所述可用于水质净化的改性玄武岩纤维。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（1）中所述的纳米铝粉的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.2mol的Al(NH4)(CO3)2溶解在0.4L的碳酰胺溶液中，加热至35℃，用磁力搅拌器搅拌16分钟混合反应得到白色沉淀；
（2）将沉淀进行减压过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤7次，再将产物置于63℃真空干燥箱中干燥4.5小时，将干燥后的粉末放入温度为850℃中的马弗炉中煅烧7小时，自然冷却后放入冷冻室中干燥4小时，即得所述纳米铝粉。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（2）中烘箱的设定温度为55℃。
实施例3
一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为5%的复合材料，该复合材料的制备方法为：
（1）利用液相沉积法制备粒径大小为10-15纳米的纳米铝粉，向该纳米铝粉中加入3倍体积的去离子水，水浴加热至80℃，在此温度下进行水合反应，反应2小时后，在超声波清洗器中超声震荡60分钟，
（2）待溶液变为白色后，加入质量百分比为40%的聚乙烯醇溶液和质量百分比为8%的四氯化钛，继续超声震荡25分钟，将反应得到的白色混合物通过布氏漏斗过滤，得到的过滤物放入烘箱中烘干7小时；
（3）按照氧化石墨烯：水为1：4的比例混合，超声分散40分钟，加入质量百分数为15%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，在70℃下搅拌反应12小时，得到改性氧化石墨烯，与步骤（2）所得物按照1：5的比例混合均匀；
（4）将玄武岩石料在1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以拉制的玄武岩纤维作为底衬，用压片机将步骤（3）所得的混合料与纤维均匀压制成型，立即在150℃的电热鼓风干燥箱中干燥14小时，即得所述可用于水质净化的改性玄武岩纤维。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（1）中所述的纳米铝粉的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.5mol的Al(NH4)(CO3)2溶解在0.5L的碳酰胺溶液中，加热至40℃，用磁力搅拌器搅拌20分钟混合反应得到白色沉淀；
（2）将沉淀进行减压过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤8次，再将产物置于65℃真空干燥箱中干燥5小时，将干燥后的粉末放入温度为800-900℃中的马弗炉中煅烧8小时，自然冷却后放入冷冻室中干燥5小时，即得所述纳米铝粉。
作为对上述方案的进一步改进，步骤（2）中烘箱的设定温度为60℃。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，不使用玄武岩纤维作为底衬，直接将制备的复合材料作为净化水质的材料，进行加工制作成滤网。
对比例2
与实施例2的区别仅在于，将加工制作的玄武岩纤维换成等量的玻璃纤维作为底衬，其余保持不变。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，将加工制作的玄武岩纤维换成等量的活性炭纤维作为底衬，其余保持不变。
对比例4
与实施例4的区别仅在于，将加工制作的玄武岩纤维换成等量的聚乙烯纤维作为底衬，其余保持不变。
对比试验
分别使用实施例1-3和对比例1-3的方法加工制作净水材料，使用该净水材料对于同一污染水质进行净化，各组制样后分别对于水中各成分含量进行测定，净化处理后，对各组净化处理后重金属离子、有机物及细菌的含量进行测定，计算去除率，将净化效果进行统计，结果记录如下表所示：
项目 铬去除率（%） 铅去除率（%） 有机污染物去除率（%） 细菌病毒去除率（%）
实施例1 99.99 99.98 99.97 99.99
实施例2 100 99.99 99.98 100
实施例3 99.99 99.99 99.97 100
对比例1 95.21 94.58 93.29 94.78
对比例2 93.32 92.43 94.18 92.86
对比例3 95.42 94.89 95.73 94.75
对比例4 91.27 90.24 91.75 92.01
通过比较发现：明显的，本发明在制备改性玄武岩纤维时，综合了玄武岩纤维和复合材料的特性，二者有机结合，缺一不可，所达到的效果是其它材料不可替代的。

Claims (3)

1.一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，其特征在于，在原有的玄武岩石料的基础上，添加质量分数为3-5%的复合材料，该复合材料的制备方法为：
（1）利用液相沉积法制备粒径大小为10-15纳米的纳米铝粉，向该纳米铝粉中加入2-3倍体积的去离子水，水浴加热至70-80℃，在此温度下进行水合反应，反应1-2小时后，在超声波清洗器中超声震荡50-60分钟，
（2）待溶液变为白色后，加入质量百分比为30-40%的聚乙烯醇溶液和质量百分比为5-8%的四氯化钛，继续超声震荡20-25分钟，将反应得到的白色混合物通过布氏漏斗过滤，得到的过滤物放入烘箱中烘干5-7小时；
（3）按照氧化石墨烯：水为1：3-4的比例混合，超声分散30-40分钟，加入质量百分数为10-15%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，在60-70℃下搅拌反应10-12小时，得到改性氧化石墨烯，与步骤（2）所得物按照1：4-5的比例混合均匀；
（4）将玄武岩石料在1450-1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以拉制的玄武岩纤维作为底衬，用压片机将步骤（3）所得的混合料与纤维均匀压制成型，立即在120-150℃的电热鼓风干燥箱中干燥12-14小时，即得所述可用于水质净化的改性玄武岩纤维。
2.如权利要求1所述一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，其特征在于，
步骤（1）中所述的纳米铝粉的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.0-1.5mol的Al(NH4)(CO3)2溶解在0.3-0.5L的碳酰胺溶液中，加热至30-40℃，用磁力搅拌器搅拌15-20分钟混合反应得到白色沉淀；
（2）将沉淀进行减压过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤6-8次，再将产物置于60-65℃真空干燥箱中干燥4-5小时，将干燥后的粉末放入温度为800-900℃中的马弗炉中煅烧6-8小时，自然冷却后放入冷冻室中干燥3-5小时，即得所述纳米铝粉。
3.如权利要求1所述一种应用于水质净化的改性玄武岩纤维，其特征在于，
步骤（2）中烘箱的设定温度为50-60℃。
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