CN108505498A - 一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，光催化透水层、生物附着透水层和透水基体层从上向下依次首尾相互固定连接，光催化透水层表面包覆了纳米晶二氧化钛光催化薄膜层，生物附着透水层表面包裹了混凝土层，透水基体层中竖向开设若干个贯穿式的透水孔。本发明采用三层式结构，表面光催化透水层具有较好的结构强度和耐冲蚀性，并且可以在光线照射下对水体中难降解有机污染物进行光催化降解；中部的生物附着透水层具有较大的比表面积和表面粗糙度，没有阳光的直射有利于微生物的负载生长及N、P等污染物质的降解去除；底部的透水基体层具很好的结构强度，可保证高砌块服役过程中的稳定性和耐久性。

Description

一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块和一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，属于环境保护技术领域。

背景技术

人类工业化进程的进步为我们带来经济效益的同时也对环境造成了严重破坏，生活和工业污水的排放量快速上升，大量未经处理或处理不完全的污水直接排入河流、湖泊等水体中，导致河流湖泊水体水质的全面恶化。工业废水具有污染种类多、成分复杂、可生化性差等特点，农业中普遍存在的过量施用化肥和喷施高毒高残留农药等现象也加剧了水体污染状况，这些污水的处理效率时刻威胁着我们的生态环境，阻碍经济的可持续性发展。由于污染物的形成方式及来源不同，水体中溶解或悬浮的污染种类众多、成分复杂、可生化性差，传统的水处理方法如生物降解法、物理吸附法、混凝沉淀法、电解法、光催化法等只能有针对性的去除某一类污染物质。生物净化技术和光催化净化技术具有较好的互补性，采用光催化+生物净化双联方式可以对水体内污染物质进行高效耦合讲解，能大幅度提高水质净化的效率。

河道、沟渠的护岸与水体具有极大的接触面积，是对水体污染物进行截留去除的最佳场所。但传统的护岸砌块主要采用以水泥和碎石为原材料制成，表面光滑且不透水，只具备保持护岸结构稳定性的功能，不具备水质净化功能。同时传统护岸的全硬质结构隔绝了水体与土壤的生态联系，严重的影响了水域周围的生态连续性及稳定性。因此亟需开发一种具有水质净化功能的护岸材料，既能对水体中污染物进行高效降解去除，同时又能保持护岸与水体之间的生态交互，这对我国水环境治理及保持具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块和一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，将多孔透水材料、生物净化技术和光催化技术集成于护岸砌块上，不但保持了护岸砌块所具有的结构强度，河道生态保持的功能，有效的增大了河道的水环境容量，同时通过光催化+生物净化双联方式对河道水体污染物进行高效耦合降解，有效地去除河道水体中的多种污染物，具有净污效率高、结构简单、维护方便的优点。

为达到上述目的，本发明提供一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，包括光催化透水层、生物附着透水层和透水基体层，所述光催化透水层、所述生物附着透水层和所述透水基体层从上向下依次首尾相互固定连接，所述光催化透水层、所述生物附着透水层和所述透水基体层均为透水结构，所述光催化透水层表面包覆了纳米晶二氧化钛光催化薄膜层，所述生物附着透水层表面包裹了混凝土层，所述透水基体层中竖向开设若干个贯穿式的透水孔。

优先地，所述光催化透水层材质为多孔陶瓷，所述生物附着透水层材质为聚氨酯泡沫，所述透水基体层的材料为混凝土，所述光催化透水层、所述生物附着透水层和所述透水基体层之间均用水泥粘结。

优先地，所述光催化透水层厚度为cm，采用孔隙率为15～20PPI的碳化硅多孔泡沫陶瓷。

优先地，所述生物附着透水层厚度为15cm，采用孔隙率为30～40PPI的聚氨酯泡沫。

优先地，所述透水基体层厚度为25cm，所述透水基体层开设有若干个孔径为2cm的透水孔；包括四个支撑脚，所述透水基体层下端还对称地固定设置有高度为2cm的支撑脚。

优先地，所述光催化透水层、所述生物附着透水层和所述透水基体层横截面均为正六边形且边长为25cm。

一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将水泥、河砂、细卵石、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水投入搅拌机搅拌后形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，在模具中自然固化后脱模，继续在室温下养护，每日喷水若干次，即可获得透水基体层；

(2)、将聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构；然后将水泥、河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水投入搅拌机搅拌形成均匀混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤若干次，并在室温下养护若干天，每天喷水若干次，即可获得生物附着透水层；将生物附着透水层置于已制备好的透水基体层上方，生物附着透水层、透水基体层之间用水泥浆料粘接并在室温下养护若干天，每天喷水若干次；

(3)、配制光催化镀液，将正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷材料浸渍于光催化镀液中并反复提拉若干分钟，然后取出并在空气中干燥一段时间，再重复上述浸渍提拉操作若干次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，400-600℃保温后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层；将制备好的光催化透水层放置于生物附着透水层上方形成砌块，两层之间用水泥浆料粘结后自然固化；

(4)、将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水若干次以促进砌块内的碱性物质溶解释放，然后即获得具有多层透水型结构的一体式砌块。

优先地，步骤(1)中：将水泥、60目过筛的河砂、粒径1～2cm的细卵石、长度2mm的短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水按照50:80:80:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，铺设厚度为25cm，在模具中自然固化24小时后脱模，继续在室温下养护15天，每日喷水3～4次，即可获得透水基体层。

优先地，步骤(2)中，将孔隙率为30～40PPI、厚度为15cm的聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构，然后将水泥、60目过筛的河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水按照50:30:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟，形成均匀的混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中，并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤3～4次，即可获得生物附着透水层；将生物附着透水层2置于已制备好的透水基体层上方，生物附着透水层、透水基体层之间用水泥浆料粘接并在室温下养护7天，每天喷水3～4次。

优先地，步骤(3)中，用钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸成分体积比为：1:4.5:2:0.6:0.03配制光催化镀液，将厚度为5cm、孔隙率为15～20PPI的正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷浸渍于光催化镀液中，反复提拉碳化硅多孔泡沫陶瓷约5分钟，取出碳化硅多孔泡沫陶瓷并在空气中干燥2小时，再重复上述浸渍提拉操作3～4次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，500℃保温2小时后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层；将制备好的光催化透水层放置于生物附着透水层上方，光催化透水层、生物附着透水层之间用水泥浆料粘结后自然固化5-7天；步骤(4)中，将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水一次，促进砌块内的碱性物质溶解释放，即获得具有多层透水型结构的一体式的砌块。

本发明所达到的有益效果：

1)本发明采用三层式结构，表面光催化透水层具有较好的结构强度和耐冲蚀性，并且可以在光线照射下对水体中难降解有机污染物进行光催化降解；中部的生物附着透水层具有较大的比表面积和表面粗糙度，同时没有阳光的直射，有利于微生物的负载生长及N、P等污染物质的降解去除；底部的透水基体层具很好的结构强度，可保证高砌块服役过程中的稳定性和耐久性。这种多层式、一体化的结构形式，较好实现了护岸材料的稳定性、耐久性、净污性和生态性的结合。

2)砌块各层均具有优异的透水性，可以保证沟渠中的污水更容易进入到砖体内部，促进污染物的去除，同时也有利于砌块与外界的水分和溶质交换，进一步提高砌块的净化效率。

3)相对于传统的硬质护岸，本发明的护岸砌块可具有较好的透水透气功能，有利于外界护岸内部土壤与外界进行水分、空气、生物等的有效交互，形成良性运行的生态型护岸。

4)砌块底部设置有支撑脚，在护岸土壤与护岸砌块之间形成连通的空腔，有利于整个护岸坡面各部位的水、气连通，充分发挥所有砌块的水质净化功能，提高整体净化效果。

5)砌块外形为六边形结构，铺装方便，拼合后的整体强度高。

6)本发明结构简单，成本低，铺设方便，便于维护，适应性强。

附图说明

图1是本发明的剖面图；

图2是本发明的结构图；

图3是本发明的结构图；

图4是本发明在沟渠中的铺装示意图；

图5是图4的A-A截面图。

附图中标记含义，1-光催化透水层，2-生物附着透水层，3透水基体层，4-透水孔，5-护岸土壤层，6-土工布，7-支撑脚，8-一体式砌块，9-水面，10-渠底；11-沟渠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，包括光催化透水层1、生物附着透水层2和透水基体层3，所述光催化透水层1、所述生物附着透水层2和所述透水基体层3从上向下依次首尾相互固定连接，所述光催化透水层1、所述生物附着透水层2和所述透水基体层3均为透水结构，所述光催化透水层1表面包覆了纳米晶二氧化钛光催化薄膜层，所述生物附着透水层2表面包裹了混凝土层，所述透水基体层3中竖向开设若干个贯穿式的透水孔4。

进一步地，所述光催化透水层1材质为多孔陶瓷，所述生物附着透水层2材质为聚氨酯泡沫，所述透水基体层3的材料为混凝土，所述光催化透水层1、所述生物附着透水层2和所述透水基体层3之间均用水泥粘结。

进一步地，所述光催化透水层1厚度为5cm，采用孔隙率为15～20PPI的碳化硅多孔泡沫陶瓷。

进一步地，所述生物附着透水层2厚度为15cm，采用孔隙率为30～40PPI的聚氨酯泡沫。

进一步地，所述透水基体层3厚度为25cm，所述透水基体层3开设有若干个孔径为2cm的透水孔4；包括四个支撑脚7，所述透水基体层3下端还对称地固定设置有高度为2cm的支撑脚7。

进一步地，所述光催化透水层1、所述生物附着透水层2和所述透水基体层3横截面均为正六边形且边长为25cm。

一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将水泥、河砂、细卵石、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水投入搅拌机搅拌后形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，在模具中自然固化后脱模，继续在室温下养护，每日喷水若干次，即可获得透水基体层3；

(2)、将聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构；然后将水泥、河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水投入搅拌机搅拌形成均匀混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤若干次，并在室温下养护若干天，每天喷水若干次，即可获得生物附着透水层2；将生物附着透水层2置于已制备好的透水基体层3上方，生物附着透水层2、透水基体层3之间用水泥浆料粘接并在室温下养护若干天，每天喷水若干次；

(3)、配制光催化镀液，将正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷材料浸渍于光催化镀液中并反复提拉若干分钟，然后取出并在空气中干燥一段时间，再重复上述浸渍提拉操作若干次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，400-600℃保温后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层1；将制备好的光催化透水层1放置于生物附着透水层2上方形成砌块，两层之间用水泥浆料粘结后自然固化；

(4)、将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水若干次以促进砌块内的碱性物质溶解释放，然后即获得具有多层透水型结构的一体式砌块8。

进一步地，步骤(1)中：将水泥、60目过筛的河砂、粒径1～2cm的细卵石、长度2mm的短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水按照50:80:80:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，铺设厚度为25cm，在模具中自然固化24小时后脱模，继续在室温下养护15天，每日喷水3～4次，即可获得透水基体层3。

进一步地，步骤(2)中，将孔隙率为30～40PPI、厚度为15cm的聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构，然后将水泥、60目过筛的河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水按照50:30:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟，形成均匀的混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中，并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤3～4次，即可获得生物附着透水层2；将生物附着透水层2置于已制备好的透水基体层3上方，生物附着透水层2、透水基体层3之间用水泥浆料粘接并在室温下养护7天，每天喷水3～4次。

进一步地，步骤(3)中，用钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸成分体积比为：1:4.5:2:0.6:0.03配制光催化镀液，将厚度为5cm、孔隙率为15～20PPI的正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷浸渍于光催化镀液中，反复提拉碳化硅多孔泡沫陶瓷约5分钟，取出碳化硅多孔泡沫陶瓷并在空气中干燥2小时，再重复上述浸渍提拉操作3～4次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，500℃保温2小时后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层1；将制备好的光催化透水层1放置于生物附着透水层2上方，光催化透水层1、生物附着透水层2之间用水泥浆料粘结后自然固化5-7天。

进一步地，步骤(4)中，将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水一次，促进砌块内的碱性物质溶解释放，即获得具有多层透水型结构的一体式的砌块8。

本发明的工作原理：

护岸砌块铺设之前，需要在护岸土壤表面铺设一层土工布，一体式砌块8安装于土工布表面，这样一方面可以防止护岸土壤流失，另一方面避免土壤移动造成砌块孔隙堵塞。

沟渠内的污水首先与光催化透水层1接触，由于光催化透水层1具有较大的孔隙尺寸，且厚度只有5cm，因此外界的光线可较好的辐照到光催化透水层的孔隙表面。表面涂覆的二氧化钛光催化膜在阳光的作用下将污水中的难降解的有机物矿化成二氧化碳和水，从而降低水体中污染物含量，起到了净化水质的作用。

污水继续渗入进入到生物附着透水层2中，由于这一层具有较小的孔隙直径，且表面包覆的混凝土具有较大的粗糙度，因此在这一层中可附着大量的微生物。微生物能吸附水体中的有机营养物质，一部分用于微生物自身活性维持，另一部分被降解为小分子释放回水体中作为新生碳源。由于生物附着透水层2的平均孔径小于光催化透水层1，而厚度大于光催化透水层1，因此对水流的渗入阻力较大，这有效的延长了水力停留时间，提高了生物净化效果。

水分通过生物附着透水层2后继续由透水基体层3上的透水孔4进入到砌块底部的空腔中，由于所有砌块底部的空腔均连通，因此滞留在这里的水一方面通过土工布与护岸土壤进行溶质交换，另一方面与周围的水进行溶质对流。由于这两种对流形式的存在，有力的促进了整个护岸各区域之间、土壤与水体之间的溶质、氧气、微生物的交换，进一步的提高了污染物的截留和降解，并保持了护岸与水体生态连通性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，包括光催化透水层(1)、生物附着透水层(2)和透水基体层(3)，所述光催化透水层(1)、所述生物附着透水层(2)和所述透水基体层(3)从上向下依次首尾相互固定连接，所述光催化透水层(1)、所述生物附着透水层(2)和所述透水基体层(3)均为透水结构，所述光催化透水层(1)表面包覆了纳米晶二氧化钛光催化薄膜层，所述生物附着透水层(2)表面包裹了混凝土层，所述透水基体层(3)中竖向开设若干个贯穿式的透水孔(4)。

2.根据权利要求1所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，所述光催化透水层(1)材质为多孔陶瓷，所述生物附着透水层(2)材质为聚氨酯泡沫，所述透水基体层(3)的材料为混凝土，所述光催化透水层(1)、所述生物附着透水层(2)和所述透水基体层(3)之间均用水泥粘结。

3.根据权利要求2所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，所述光催化透水层(1)厚度为5cm，采用孔隙率为15～20PPI的碳化硅多孔泡沫陶瓷。

4.根据权利要求2所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，所述生物附着透水层(2)厚度为15cm，采用孔隙率为30～40PPI的聚氨酯泡沫。

5.根据权利要求2所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，所述透水基体层(3)厚度为25cm，所述透水基体层(3)开设有若干个孔径为2cm的透水孔(4)；包括四个支撑脚(7)，所述透水基体层(3)下端还对称地固定设置有高度为2cm的支撑脚(7)。

6.根据权利要求1所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块，其特征在于，所述光催化透水层(1)、所述生物附着透水层(2)和所述透水基体层(3)横截面均为正六边形且边长为25cm。

7.一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将水泥、河砂、细卵石、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水投入搅拌机搅拌后形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，在模具中自然固化后脱模，继续在室温下养护，每日喷水若干次，即可获得透水基体层(3)；

(2)、将聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构；然后将水泥、河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水投入搅拌机搅拌形成均匀混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤若干次，并在室温下养护若干天，每天喷水若干次，即可获得生物附着透水层(2)；将生物附着透水层(2)置于已制备好的透水基体层(3)上方，生物附着透水层(2)、透水基体层(3)之间用水泥浆料粘接并在室温下养护若干天，每天喷水若干次；

(3)、配制光催化镀液，将正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷材料浸渍于光催化镀液中并反复提拉若干分钟，然后取出并在空气中干燥一段时间，再重复上述浸渍提拉操作若干次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，400-600℃保温后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层(1)；将制备好的光催化透水层(1)放置于生物附着透水层(2)上方形成砌块，两层之间用水泥浆料粘结后自然固化；

(4)、将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水若干次以促进砌块内的碱性物质溶解释放，然后即获得具有多层透水型结构的一体式砌块(8)。

8.根据权利要求7所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：将水泥、60目过筛的河砂、粒径1～2cm的细卵石、长度2mm的短切玻璃纤维、羧甲基纤维素、水按照50:80:80:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟形成均匀混合浆料，再将混合浆料注入六边形模具中，铺设厚度为25cm，在模具中自然固化24小时后脱模，继续在室温下养护15天，每日喷水3～4次，即可获得透水基体层(3)。

9.根据权利要求7所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将孔隙率为30～40PPI、厚度为15cm的聚氨酯泡沫冲裁为正六边形结构，然后将水泥、60目过筛的河砂、短切玻璃纤维、羧甲基纤维素和水按照50:30:3:5:200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟，形成均匀的混合浆料；再将已裁剪好的聚氨酯泡沫浸渍于混合浆料中，并反复挤压，使混合浆料完全进入聚氨酯泡沫的孔隙中，取出后放在振动台上去除多余的混合浆料，重复本步骤3～4次，即可获得生物附着透水层(2)；将生物附着透水层(2)置于已制备好的透水基体层(3)上方，生物附着透水层(2)、透水基体层(3)之间用水泥浆料粘接并在室温下养护7天，每天喷水3～4次。

10.根据权利要求7所述的一种光催化与生物净化一体式生态护岸砌块的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，用钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸成分体积比为：1:4.5:2:0.6:0.03配制光催化镀液，将厚度为5cm、孔隙率为15～20PPI的正六边形的碳化硅多孔泡沫陶瓷浸渍于光催化镀液中，反复提拉碳化硅多孔泡沫陶瓷约5分钟，取出碳化硅多孔泡沫陶瓷并在空气中干燥2小时，再重复上述浸渍提拉操作3～4次；将浸渍好的多孔泡沫陶瓷放入电炉中，500℃保温2小时后随炉冷却，即可在泡沫陶瓷表层包覆一层纳米晶二氧化钛膜，即获得光催化透水层(1)；将制备好的光催化透水层(1)放置于生物附着透水层(2)上方，光催化透水层(1)、生物附着透水层(2)之间用水泥浆料粘结后自然固化5-7天；步骤(4)中，将所制备的砌块在清水中浸泡5～10天，每天换水一次，促进砌块内的碱性物质溶解释放，即获得具有多层透水型结构的一体式的砌块(8)。