CN107814534A - 一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土，包括以下质量比的组分：普通硅酸盐水泥50～60份，粉煤灰10～15份，自来水20～30份，碳/氮共掺杂二氧化钛为水泥和粉煤灰总质量的1～5%。本发明利用碳和氮共同掺杂二氧化钛，不仅提高了二氧化钛在自然光下的催化活性，抑制藻类的生长和微生物对混凝土建筑的腐蚀，具有更安全、长效、无污染的特点；将光催化技术与混凝土护岸工程相结合，不仅可以对微富营养化水体中的蓝藻进行长效防治，而且使混凝土具有抑藻、抗微生物腐蚀的特性，具有更好的环境和经济效益。

Description

一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种生态混凝土，尤其涉及一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的护岸用生态混凝土及其制备方法。
背景技术
湖泊、河流是生态环境的重要构成要素，承载着大量人类可以利用的淡水资源，对人类的繁衍生息和不断壮大有着重要的作用。然而，湖泊、水库水体的缓流特性也使其极易发生水体富营养华。当前，各地政府主要针对富营养化水平较为严重的湖泊进行治理，如太湖、巢湖、滇池等。然而，占比最多的正处于轻度富营养水平的河流、湖泊的蓝藻水华防控往往被人们所忽略。
传统的护岸工程主要以混凝土材料为主，主要为防止岸坡收到冲刷。然而，近年来混凝土微生物腐蚀受到越来越多的关注。微生物腐蚀会导致混凝土表面磨损、疏松、砂浆脱落，甚至导致建筑开裂和钢筋锈蚀，使水利工程服役寿命变短，增加了维护成本。
光催化是近年来发展起来的一种新型环境污染治理技术，它具有低耗、无二次污染，而改性后的光催化剂往往具有更强的污染处理效果。目前已有研究表明，光催化技术具有抑藻、灭菌的作用。针对以上环境和工程问题，开展混凝土抑藻和抗微生物腐蚀的研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于将光催化技术运用到混凝土中，实现水渠两岸混凝土具备抑藻和抗微生物腐蚀的功能。
本发明为了实现上述目的，所采取的技术方案为：一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土，包括以下质量比的组分：
普通硅酸盐水泥50～60份
粉煤灰10～15份
自来水20～30份
碳/氮共掺杂二氧化钛分别为水泥和粉煤灰总质量的1～5%.
进一步的，所述碳/氮共掺杂二氧化钛通过如下方法制得：
1）将异丙醇钛溶于乙醇中；
2）将稀醋酸加入到溶液中并持续搅拌后得到溶液A；
3）向溶液A中加入NaOH溶液持续搅拌后得到溶液B，
4）将溶液B转移至反应釜中，高温反应得到白色沉淀，
5）清洗白色沉淀并干燥得到白色的二氧化钛粉末；
6）将二氧化钛和三聚氰胺等质量混合，在氮气流环境下灼烧后得到C/N-TiO2。
进一步的，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
进一步的，所述粉煤灰的粒径为：0.1～0.25 mm。
本发明还提供了一种上述混凝土的制备方法：包括以下步骤
步骤一制备碳/氮共掺杂二氧化钛；
步骤二将水泥、粉煤灰和碳/氮共掺杂二氧化钛充分混合；
步骤三加水并搅拌均匀，成型。
所述步骤1中碳/氮共掺杂二氧化钛的制备方法为：
1）将异丙醇钛溶于乙醇中；
2）将稀醋酸加入到溶液中并持续搅拌后得到溶液A；
3）向溶液A中加入NaOH溶液持续搅拌后得到溶液B，
4）将溶液B转移至反应釜中，高温反应得到白色沉淀，
5）清洗白色沉淀并干燥得到白色的二氧化钛粉末；
6）将二氧化钛和三聚氰胺等质量混合，在氮气流环境下灼烧后得到C/N-TiO2。
二氧化钛是一种具有光催化功能的半导体材料，具有活性高、热稳定性好、价格低廉、无污染等优点，被广泛的用于光催化灭菌、水质和空气净化等领域。但是，二氧化钛由于其自身禁带较宽，在可见光下的光催化活性不高。碳、氮、磷、硫等非金属元素的掺杂可以提高二氧化钛在可见光下的催化活性。
本发明将粉煤灰作为部分水泥的替代材料制作生态混凝土，实现了废弃物资源化利用；将光催化技术与混凝土结合，既保证了河湖岸坡的安全与稳定，而且可以维持河流健康稳定、保护流域生态环境，同时降低由微生物腐蚀带来的经济损失；采用地球上最丰富、廉价的碳和氮两种元素共掺杂二氧化钛，不仅提高了二氧化钛在自然光下的催化活性，而且不会引入对水生环境有害的元素。
本发明的有益效果是：利用碳和氮共同掺杂二氧化钛，不仅提高了二氧化钛在自然光下的催化活性，抑制藻类的生长和微生物对混凝土建筑的腐蚀，具有更安全、长效、无污染的特点；将光催化技术与混凝土护岸工程相结合，不仅可以对微富营养化水体中的蓝藻进行长效防治，而且使混凝土具有抑藻、抗微生物腐蚀的特性，具有更好的环境和经济效益；本发明在水体处于轻度营养化的状态时就对蓝藻进行长效抑制，在保障河湖岸坡安全与稳定的同时，维持河湖生态系统健康稳定、保护流域生态环境，同时降低由微生物腐蚀带来的经济损失；利用大量的粉煤灰替代部分水泥，实现了废物的资源化利用。
附图说明
图1是本发明经28天处理后表面藻类生长情况对比图；
图2是本发明经28天处理后表面有机质含量对比图。
[A1]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1：
（1）制备碳、氮共掺杂二氧化钛
首先将8ml异丙醇钛（分析纯）溶于30ml乙醇（分析纯）中，接着将10ml质量分数为30%的稀醋酸加入到溶液中并持续搅拌3h后得到溶液A；向溶液A中加入30ml 浓度为0.5mol/L的NaOH溶液持续搅拌1h后得到溶液B，并将溶液B转移至反应釜中，在150℃条件下反应24h后得到白色沉淀，并用去离子水清洗，在80℃条件下干燥12h后得到白色的二氧化钛粉末；将500mg二氧化钛和500mg三聚氰胺等质量混合，在50ml/min氮气流、灼烧温度550℃的环境下灼烧5h后得到C/N-TiO2。
（2）取普通硅酸盐水泥60份，粉煤灰15份，自来水30份，加入占水泥和粉煤灰总质量5%的碳/氮共掺杂二氧化钛；将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和C/N-TiO2置于研钵中，充分研磨混合后加入自来水，高速搅拌10～15min形成料浆；粉煤灰的粒径为：0.1～0.25 mm。
（3）将料浆浇筑入模，模具尺寸为5cm×5cm×2cm，充分震荡，放入标准养护室，养护温度为18～22℃，相对湿度为95～98%，24h后拆模，继续养护28d，得到均匀的掺杂5% C/N-TiO2的混凝土（CF+C/N-TiO2(5%)）。
生态混凝土的抑藻、抑制微生物生长的效果：
将生态混凝土放入含有蓝藻和其他细菌的液体中，以太阳光为光源，持续培养4周天，每3天更换一次液体，记录混凝土表面微生物生长情况，其生长情况见图1；4周结束后剥离混凝土表面的微生物，测定有机质含量，其单位面积有机质含量为0.924mg/cm2，与对比例1对比降低了73.4%。
实施例2：
（1）制备碳、氮共掺杂二氧化钛
方法同实施例1。
（2）制备掺杂C/N-TiO2的混凝土：取普通硅酸盐水泥50份，粉煤灰10份，自来水20份，加入占水泥和粉煤灰总质量的2.5%的C/N-TiO2；将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和C/N-TiO2置于研钵中，充分研磨混合后加入自来水，高速搅拌10～15min形成料浆；粉煤灰的粒径为：0.1～0.25 mm。
（3）将料浆浇筑入模，模具尺寸为5cm×5cm×2cm，充分震荡，放入标准养护室，24h后拆模，继续养护28d，得到均匀的掺杂2.5%C/N-TiO2的混凝土（CF+C/N-TiO2(2.5%)）。
生态混凝土的抑藻、抑制微生物生长的效果：
将生态混凝土放入含有蓝藻和其他细菌的液体中，以太阳光为光源，持续培养4周天，每3天更换一次液体，记录混凝土表面微生物生长情况，其生长情况见图1；4周结束后剥离混凝土表面的微生物，测定有机质含量，其单位面积有机质含量为1.392mg/cm2，与对比例1对比降低了59.4%。
对比例1：
（1）纯混凝土的制备
取普通硅酸盐水泥60份，粉煤灰15份，自来水30份；将普通硅酸盐水泥、粉煤灰置于研钵中，充分研磨混合后加入自来水，高速搅拌10～15min形成料浆；将料浆浇筑入模，模具尺寸为5cm×5cm×2cm，充分震荡，放入标准养护室，24h后拆模，继续养护28d，得到普通混凝土（CF）。
（2）生态混凝土的抑藻、抑制微生物生长的效果：
将生态混凝土放入含有蓝藻和其他细菌的液体中，以太阳光为光源，持续培养4周天，每3天更换一次液体，记录混凝土表面微生物生长情况，其生长情况见图1；4周结束后剥离混凝土表面的微生物，测定有机质含量，其单位面积有机质含量为3.476mg/cm2。
对比例2：
(1)掺杂TiO2的混凝土的制备：
取普通硅酸盐水泥60份，粉煤灰15份，自来水30份，二氧化钛为TiO2 (P25)占水泥和粉煤灰总质量的2.5%；将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和TiO2置于研钵中，充分研磨混合后加入自来水，高速搅拌10～15min形成料浆；粉煤灰的粒径为：0.1～0.25 mm。将料浆浇筑入模，模具尺寸为5cm×5cm×2cm，充分震荡，放入标准养护室，24h后拆模，继续养护28d，得到均匀的掺杂5%TiO2的混凝土（CF+P25 (5%)）。
生态混凝土的抑藻、抑制微生物生长的效果：
将生态混凝土放入含有蓝藻和其他细菌的液体中，以太阳光为光源，持续培养4周天，每3天更换一次液体，记录混凝土表面微生物生长情况，其生长情况见图1；4周结束后剥离混凝土表面的微生物，测定有机质含量，其单位面积有机质含量为3.2mg/cm2，与对比例1对比只降低了7.9%。
图1看出，随着时间的推移，对比例1中混凝土表面生物膜的面积逐渐增，几乎覆盖了整个混凝土表面；而对比例2中混凝土表面的生物膜覆盖面积虽然和例1相近，但生物膜附着速度和附着厚度明显低于例1；实施例2和实施例1分别为掺杂2.5%和5% C/N-TiO2的混凝土，表面生物膜附着速度和厚度明显低于对比组，其中实施例1抑菌、抑藻效果更为明显，这是因为混凝土表面的C/N-TiO2相比实施例2更多，具有更强的光催化活性，而且C/N-TiO2与TiO2 (P25)相比，在可见光下的活性更强。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土，其特征在于：包括以下质量比的组分
普通硅酸盐水泥50～60份
粉煤灰10～15份
自来水20～30份
碳/氮共掺杂二氧化钛分别为水泥和粉煤灰总质量的1～5%。
2.根据权利要求1所述的生态混凝土，其特征在于：所述碳/氮共掺杂二氧化钛通过如下方法制得：
1）将异丙醇钛溶于乙醇中；
2）将稀醋酸加入到溶液中并持续搅拌后得到溶液A；
3）向溶液A中加入NaOH溶液持续搅拌后得到溶液B，
4）将溶液B转移至反应釜中，高温反应得到白色沉淀，
5）清洗白色沉淀并干燥得到白色的二氧化钛粉末；
6）将二氧化钛和三聚氰胺等质量混合，在氮气流环境下灼烧后得到C/N-TiO2。
3.根据权利要求1所述的生态混凝土，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的生态混凝土，其特征在于：所述粉煤灰的粒径为：0.1～0.25mm。
5.一种可以抑藻、抗微生物腐蚀的生态混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
步骤一制备碳/氮共掺杂二氧化钛；
步骤二将水泥、粉煤灰和碳/氮共掺杂二氧化钛充分混合；
步骤三加水并搅拌均匀，成型；
所述步骤一中碳/氮共掺杂二氧化钛的制备方法为：
1）将异丙醇钛溶于乙醇中；
2）将稀醋酸加入到溶液中并持续搅拌后得到溶液A；
3）向溶液A中加入NaOH溶液持续搅拌后得到溶液B，
4）将溶液B转移至反应釜中，高温反应得到白色沉淀，
5）清洗白色沉淀并干燥得到白色的二氧化钛粉末；
6）将二氧化钛和三聚氰胺等质量混合，在氮气流环境下灼烧后得到C/N-TiO2。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：二氧化钛和三聚氰胺等质量混合后，在氮气流环境下的灼烧温度为450-600℃。
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