CN110813079A - 一种有机高分子填料表面改性方法 - Google Patents

一种有机高分子填料表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机高分子填料表面改性方法，首先利用酸性氧化剂对有机高分子填料表面进行均匀腐蚀，然后利用阳离子负载液和水性环氧树脂浸泡，使其表面附着阳离子，清洗烘干后得到改性有机高分子填料。还可以在超声波环境中进行化学腐蚀，从而达到更优的效果。通常选用疏水性有机高分子填料。本发明具有成本低廉，改性简单，可操作性强等优点。

Description

一种有机高分子填料表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种有机高分子填料表面改性方法，尤其涉及一种促进生物膜形成的有机高分子填料表面改性方法，属于环境处理技术领域。
背景技术
随着社会工业的发展，传统化石燃料消费的增加，大量污染物产生并被排放进自然环境中，这些污染物对公众健康的损害越来越严重，环境污染治理已成为保证人类生活水平及社会可持续发展的全球性事业。目前治理各种形态污染物的技术和工艺有很多，其中生物膜处理法因其具有性价比高、二次污染小、运行稳定、操作简单等优点被逐渐关注。目前应用较多的生物膜反应器包括被用于废水处理的生物滤池、生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床等及被用于废气处理的生物过滤塔和生物滴滤塔。
填料作为生物膜反应器中的主要组成部分，不仅为微生物提供了生长环境，而且还对反应器中气相、液相、生物膜相之间的传质产生重要影响。因此，生物膜反应器中的填料理化性质对生物膜的形成具有十分重要意义，而生物膜的形成直接影响到生物膜反应器的运行性能。目前应用的生物膜填料种类较多，有机高分子填料与其他填料相比，具有易获取、成本低、使用时间长及回弹率高等优点，其作为填料在生物膜反应器处理污染物的过程中被广泛应用。但是有机高分子填料光滑的表面以及表面疏水氧化膜往往会造成生物膜的附着困难、形成缓慢及质量不佳等问题，进而造成生物膜反应器的启动时间延长及其运行性能下降。
发明内容
本发明旨在提供一种有机高分子填料表面改性方法，通过化学腐蚀使填料表面粗糙并进一步进行物理改性使其表面负载阳离子达到表面改性，从而使有机高分子填料表面容易附着生物膜，促进生物膜形成，从而能够达到生物膜反应器快速启动的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种有机高分子填料表面改性方法，包括：
量取适量水，按照(10～25)g高锰酸钾/L水的比例称取适量高锰酸钾，并按照1mL浓硫酸/g高锰酸钾的比例量取适量浓硫酸，将高锰酸钾、浓硫酸和适量水均匀混合作为酸性氧化剂；
量取适量水，按照阳离子聚丙烯酰胺、氯化铁和水的质量比为(3～10):(20～30):2000称取适量阳离子聚丙烯酰胺、氯化铁，并将阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁与水混合均匀，形成以阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁作为阳离子负载剂的阳离子负载液；
将有机高分子填料浸泡在所述酸性氧化剂中10分钟以上使其表面被均匀的化学腐蚀，然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料；
使所述化学改性有机高分子填料浸泡在装有所述阳离子负载液的浸泡池中，所述阳离子负载液作为浸泡液，使阳离子负载剂均匀附着在化学改性有机高分子填料表面；将适量水性环氧树脂加入浸泡池并使其与化学改性有机高分子填料及阳离子负载液搅拌均匀后，将适量固化剂加入浸泡池中搅拌浸泡2小时，使水性环氧树脂固化将阳离子负载剂稳定附着在所述化学改性有机高分子填料表面，使其成为表面负载阳离子的物化改性有机高分子填料；
将所述表面负载阳离子的物化改性有机高分子填料烘干，使附着在填料表面的水性环氧树脂稳定固化，得到表面稳定负载阳离子的有机高分子填料；
将所述表面稳定负载阳离子的有机高分子填料用水清洗并干燥后，即得到作为成品的表面改性有机高分子填料。
上述技术方案中，所述方法还包括：
使有机高分子填料浸泡在所述酸性氧化剂中并置于超声波环境10分钟以上使其表面被均匀的化学腐蚀，然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗。
上述技术方案中，所述经过化学腐蚀的有机高分子填料清洗过程包括：
使经过化学腐蚀的有机高分子填料经过盐酸溶液清洗，并浸泡在磷酸盐缓冲溶液中使有机高分子填料达到酸碱中性，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料；
所述盐酸溶液选用5％-10％浓度的盐酸溶液；所述磷酸盐缓冲溶液选用中性磷酸盐缓冲溶液。
上述技术方案中，所述水性环氧树脂按照水性环氧树脂和阳离子负载液的体积比为1:(50～100)加入浸泡液。
上述技术方案中，所述固化剂选用水性阳离子体系固化剂，按水性环氧树脂体积的一半添加。
上述技术方案中，水性阳离子体系固化剂选用脂肪族多元胺固化剂，其主要成分包括乙二胺、三乙烯四胺和己二胺。上述技术方案中，所述有机高分子填料为疏水性有机高分子填料，包括聚氨酯填料、聚乙烯填料、聚氯乙烯填料的任一种或多种混合物。
本发明中的有益效果和优点是：通过化学腐蚀使填料表面粗糙并进一步在其表面负载阳离子从而达到改性目的，使有机高分子填料表面容易附着生物膜，促进生物膜形成，具有操作方法简便、成本较低等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中有机高分子填料示意图。
图2为本发明实施例中有机高分子填料化学腐蚀效果示意图。
图3为本发明实施例中有机高分子填料表面改性效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本发明提供了一种有机高分子填料表面改性方法，适用于包括聚氨酯填料、聚乙烯填料、聚氯乙烯填料等疏水性有机高分子填料的表面改性。
有机高分子填料表面改性主要包括两个过程，即通过酸性氧化剂使有机高分子填料表面均匀化学腐蚀获得均匀粗糙的表面，使微生物容易挂膜；以及在填料表面稳定负载阳离子，在水相环境中能够吸附正电荷，从而进一步吸附微生物促进其挂膜。
量取适量水，按照(10～25)g高锰酸钾/L水的比例称取适量高锰酸钾，并按照1mL浓硫酸/1g高锰酸钾的比例量取适量浓硫酸，将高锰酸钾、浓硫酸和适量水均匀混合作为酸性氧化剂。
量取适量水，按照阳离子聚丙烯酰胺、氯化铁和水的质量比为(3～10):(20～30):2000称取适量阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁，并将阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁与水混合均匀，形成以阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁作为阳离子负载剂的阳离子负载液。
将酸性氧化剂装载入浸泡池，使有机高分子填料(也简称“填料”)浸泡在酸性氧化剂中10分钟以上，使有机高分子填料表面均匀化学腐蚀。然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料。作为一种优化技术方案，将浸泡池置于超声波环境中，使有机高分子填料在超声波环境下在酸性氧化剂中浸泡10分钟以上均匀化学腐蚀，然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗。这个过程利用了超声波对液态的急速振荡作用使酸性氧化剂均匀冲击填料表面从而获得均匀粗糙表面。有机高分子填料表面粗糙不但有利于微生物的附着，而且有助于增加营养液的停留时间，最终使微生物更易于挂膜。
清洗过程包括：使经过化学腐蚀的有机高分子填料经过5％-10％浓度的盐酸溶液清洗，并浸泡在中性磷酸盐缓冲溶液中使有机高分子填料达到酸碱中性，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料。
使化学改性有机高分子填料浸泡在装有阳离子负载液的浸泡池中，阳离子负载液作为浸泡液。浸泡过程中，阳离子负载剂均匀的分散在化学改性有机高分子填料周围，并均匀的附着。按照水性环氧树脂和阳离子负载液的体积比为1:(50～100)，将适量水性环氧树脂加入浸泡池，并使其与化学改性有机高分子填料和阳离子负载液搅拌均匀，与阳离子负载剂均匀混合并浸泡附着在化学改性有机高分子填料表面。然后将适量固化剂加入浸泡池中搅拌浸泡2小时，水性环氧树脂在固化剂的作用下固化，从而将阳离子聚丙烯酰胺与氯化铁混合固定在化学改性有机高分子填料表面，从而在有机高分子填料表面负载阳离子，使其成为阳离子负载有机高分子填料。固化剂选用水性阳离子体系固化剂，通常为脂肪族多元胺固化剂，其主要成分包括乙二胺、三乙烯四胺及己二胺等，且固化剂按水性环氧树脂体积的一半添加。使用过程中，固定在环氧树脂中的铁离子和聚丙烯酰胺的阳离子官能团配合形成大范围的正电荷覆盖，通过静电作用将一般表面带负电荷的微生物进一步吸附，从而进一步加强微生物挂膜。
将阳离子负载有机高分子填料烘干(烘干温度为60～90℃)，使附着在填料表面的环氧树脂稳定固化，得到表面稳定负载阳离子的有机高分子填料。
将表面稳定负载阳离子的有机高分子用水清洗并干燥后，即得到作为成品的表面改性有机高分子填料。
如下为其中一个在聚氨酯填料表面进行改性的实施例。
取17g高锰酸钾与17ml浓硫酸均匀溶于于1L蒸馏水中配置成酸性氧化剂。将聚氨酯填料(如图1所示)浸泡于酸性氧化剂，放入超声机中10分钟后，填料取出用盐酸溶液洗净，最后浸泡在磷酸盐缓冲溶液中性，得到表面均匀粗糙的聚氨酯填料(图2)。接着3g阳离子聚丙烯酰胺与13.5g氯化铁溶解于1L蒸馏水中配置成阳离子负载液。将之前获得的聚氨酯填料在放入阳离子负载液中浸泡，再加入12.5ml水性环氧树脂，搅拌均匀后加入6.5ml固化剂搅拌浸泡2小时。最终将浸泡后的聚氨酯填料放入烘箱在温度为75摄氏度条件下烘干。获得的聚氨酯填料用蒸馏水清洗，并再次干燥(图3)。经过上述步骤最终获得改性后填料其改性填料表面变化如图1所示。替代原聚氨酯填料装入生物过滤塔后运行处理TVOC为1000ppm左右的BTEX废气，经过27天的运行，填料表面生物膜量增长量是装配未改性填料的过滤塔的2～3倍，生物膜微生物活性被明显提高。生物膜作用下去除率随生物膜形成提升速度相比于装配未改性填料的过滤塔也提升了1倍左右。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述方法包括：
量取适量水，按照(10～25)g高锰酸钾/L水的比例称取适量高锰酸钾，并按照1mL浓硫酸/g高锰酸钾的比例量取适量浓硫酸，将高锰酸钾、浓硫酸和适量水均匀混合作为酸性氧化剂；
量取适量水，按照阳离子聚丙烯酰胺、氯化铁和水的质量比为(3～10):(20～30):2000称取适量阳离子聚丙烯酰胺、氯化铁，并将阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁与水混合均匀，形成以阳离子聚丙烯酰胺和氯化铁作为阳离子负载剂的阳离子负载液；
使有机高分子填料浸泡在所述酸性氧化剂中10分钟以上，然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料；
使所述化学改性有机高分子填料浸泡在装有所述阳离子负载液的浸泡池中，所述阳离子负载液作为浸泡液；将适量水性环氧树脂加入浸泡池并使其与所述化学改性有机高分子填料和阳离子负载液搅拌均匀后，将适量固化剂加入浸泡池中搅拌浸泡2小时，使得阳离子负载剂附着在所述化学改性有机高分子填料表面，使其成为阳离子负载有机高分子填料；
将所述阳离子负载有机高分子填料烘干，得到表面稳定负载阳离子的有机高分子填料；
将所述表面稳定负载阳离子的有机高分子填料用水清洗并干燥后，即得到表面改性有机高分子填料。
2.根据权利要求1所述的有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述方法还包括：
使有机高分子填料浸泡在所述酸性氧化剂中并置于超声波环境10分钟以上，然后取出经过化学腐蚀的有机高分子填料进行清洗。
3.根据权利要求1或2所述的有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述经过化学腐蚀的有机高分子填料清洗过程包括：
使经过化学腐蚀的有机高分子填料经过盐酸溶液清洗，并浸泡在磷酸盐缓冲溶液中使有机高分子填料达到酸碱中性，得到表面均匀粗糙的化学改性有机高分子填料；
所述盐酸溶液选用5％-10％浓度的盐酸溶液；所述磷酸盐缓冲溶液选用中性磷酸盐缓冲溶液。
4.根据权利要求1所述的有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述水性环氧树脂按照水性环氧树脂和阳离子负载液的体积比为1:(50～100)加入浸泡液。
5.根据权利要求1所述的有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述固化剂选用脂肪族多元胺固化剂，且所述固化剂按水性环氧树脂体积的一半添加。
6.根据权利要求1所述的有机高分子填料表面改性方法，其特征在于，所述有机高分子填料选用聚氨酯填料、聚乙烯填料或聚氯乙烯填料。
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