CN113045797A - 一种改性聚氨酯载体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改性聚氨酯载体及其制备方法,其能解决现有悬浮载体比表面积小、吸附性差、抗毒性冲击能力差、挂膜后流化性差等技术问题。一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:包括以下步骤,S1、制备涂覆改性液,所述涂覆改性液由以下重量份计的原料混合制得,30‑50份粉末活性炭,3.0‑8.0份空心玻璃微珠,0.5‑1.5份核黄素,0.5‑2.0份L‑半胱氨酸,1.0‑3.0份还原铁粉,1‑4份羧甲基纤维素钠,200‑450份水,0.5‑2.0份有机硅润湿剂,8‑20份丙烯酸乳液;S2、制备改性聚氨酯载体,将多孔聚氨酯泡沫的外表面和内孔表面浸润涂覆改性液,固化,得到改性聚氨酯载体。

Description

一种改性聚氨酯载体及其制备方法
技术领域
本发明涉及用于污水处理的悬浮载体,具体涉及一种改性聚氨酯载体及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的发展,水污染问题越来越严重,对污水厂污染物排放标准也越来
越高,污水处理提标改造势在必行。一般城镇污水处理厂在投入使用时,由于管网尚未完善,污水进水量往往低于设计处理能力,但随着管网不断完善,污水厂服务区人口增加,污水进水量不断增加,经过一段时间运营后,污水进水量可能会超过设计处理能力,这时候就需要对污水处理厂进行扩容改造,而提标扩容改造将成为我国城镇污水处理厂面临的主要难题。
利用MBBR工艺对城镇污水厂进行提标扩容改造无需土建,投资少,施工简单,已得到广泛应用。MBBR工艺中,其技术核心为悬浮载体。目前,应用于MBBR工艺的悬浮载体主要有两种:一种为PE材料制作的具有鲍尔环结构的PE载体,另一种为聚氨酯海绵制作的海绵载体。这两种载体的材质、结构等各不相同,但均存在比表面积不足的问题,PE载体的比表面积低于700m2/m3,海绵载体的比表面积低于2000m2/m3。由于比表面积低,载体上着生生物膜量受到限制,为了提高MBBR反应器的生物膜量,只能提高载体的投配比,一般PE载体的投配比为30%~70%,海绵载体的投配比为30%~50%,而载体投配比的提高会导致污水系统中载体流化能耗增加,且需要安装穿孔曝气,使MBBR工艺在污水系统中应用受到限制。
目前MBBR塑料载体,最常用的材质为HDPE塑料材质。由于HDPE塑料的疏水性,它对水的亲和力较差,因此在废水处理应用中生物膜的附着需要大量时间,另外由于HDPE材质制备的MBBR载体缺乏吸附性缓冲物质,其抗工业废水的毒性冲击能力极差。无法为生长缓慢的硝化菌及特效降解菌提供合适的附着平面及保护作用。普通聚氨酯海绵/泡沫由于密度轻且疏水,投入MBBR池后,长期漂浮在水面上。聚氨酯海绵挂膜后,其由于多孔,常吸附大量的活性污泥,导致其无法流化,大部分沉于好氧池底部。
目前,提标改造工程主要针对总氮和总磷指标,特别是总氮指标,需要通过缺氧反硝化削减,在回流比、缺氧池停留时间等限制条件下,只能通过增加缺氧池容积等土建的方法来提高污水系统的生物脱氮能力。如果能通过悬浮载体实现同步硝化反硝化或短程硝化反硝化功能,就有可能在好氧池中进行深度脱氮,这就要求悬浮载体能形成表面好氧、内部厌氧的环境。在好氧池内进行脱氮,可以节约大量的外加碳源。因此,开发具有高比表面积,具有强吸附性、合适比重、具有缺氧区的载体对于污水的脱氮处理具有重大意义。
发明内容
本发明提供了一种改性聚氨酯载体及其制备方法,其能解决现有悬浮载体比表面积小、吸附性差、抗毒性冲击能力差、挂膜后流化性差以及无法同时实现硝化反硝化功能的技术问题。
其技术方案是这样的,一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、制备涂覆改性液,所述涂覆改性液由以下重量份计的原料混合制得,30-50份粉末活性炭,3.0-8.0份空心玻璃微珠, 0.5-1.5份核黄素,0.5-2.0份L-半胱氨酸,1.0-3.0份还原铁粉,1-4份羧甲基纤维素钠,200-450份水,0.5-2.0份有机硅润湿剂,8-20份丙烯酸乳液;
S2、制备改性聚氨酯载体,将多孔聚氨酯泡沫的外表面和内孔表面浸润涂覆改性液,固化,得到改性聚氨酯载体。
进一步的,步骤S1具体过程如下,
(1)将30-50份粉末活性炭,3.0-8.0份空心玻璃微珠, 0.5-1.5份核黄素,0.5-2.0份L-半胱氨酸,1.0-3.0份还原铁粉,1-4份羧甲基纤维素钠在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入200-450份水中,加入0.5-2.0份重量的有机硅润湿剂,混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入8-20份重量的丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
更进一步的,步骤S1的改性干粉混合物中还包括0.2-0.5份复合维生素。
进一步的,步骤S2具体过程如下,
(1)将空隙密度为40-60PPi多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,挤压去除聚氨酯泡沫内孔中的空气;
(2)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式排除多余的涂覆改性液;
(3)将完成挤压、排除多余涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫在90-120°C烘箱中固化1-4h,得到改性聚氨酯载体。
步骤S2的(2)中,通过挤压的方式排除多余的涂覆改性液,能够控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
一种改性聚氨酯载体,其由上述方法制备得到。
本发明的制备方法以及制备的改性聚氨酯载体具有以下有益效果:
(1)由于有粉末活性炭负载在多孔聚氨酯骨架表面,本发明的载体比表面积超过25000m2/m3,远高于HDPE制备的MBBR悬浮载体及普通海绵,可以为细菌提供更大的附着面;由于比表面积大,本发明的功能载体只需投加有效池容10-20%,即可达到增效的目的;
(2)由于有粉末活性炭负载在多孔聚氨酯骨架表面,该载体对常见的毒性物质,如吡啶、甲苯、二氯甲烷、氰化物等具有吸附作用,可降低其对硝化菌的抑制;
(3)采用无毒的核黄素作为氧化还原介体,可促进生物酶之间的电子传导,在缺氧环境下可促进难降解有机物的还原及反硝化反应进行;
(4)采用L-半胱氨酸和还原铁粉负载在多孔聚氨酯骨架表面,在完成挂膜后,在好氧MBBR池内,载体外部直接与空气和水接触,属于好氧区域,氧化还原电位高于0,载体内部由于有活性污泥和微生物包裹,对氧气扩散有一定的阻隔作用,同时,该载体内部的L-半胱氨酸降解,消耗氧气,产生还原性物质,还原铁粉与氧气反应,消耗氧气,进而综合作用形成缺氧环境,并降低氧化还原电位,该载体通过内部的氧化还原电位可达-50mv至-200mv,创造反硝化环境,形成反硝化脱氮区,可以显著提高污水处理系统的容积负荷和反硝化脱氮能力,无需土建便能实现污水处理厂的低成本提标扩容改造。
(5)通过控制空心玻璃微珠在整体物料中的比例,本发明提供的改性聚氨酯载体可以精确控制其挂膜后的密度,保证其具有良好的流化性能。
具体实施方式
原料说明:
聚氨酯泡沫:常州大业腾飞海绵厂,商品名为过滤海绵,孔径分别为50PPI、60PPI。
木质粉末活性炭:山西达进活性炭科技有限公司,孔径为200目。
椰壳粉末活性炭:山西达进活性炭科技有限公司,孔径为325目。
空心玻璃微珠:中科华星新材料有限公司,型号为C20。
复合维生素:河南东升生物科技有限公司,商品名为水产多维。复合维生素含有多种矿物质和VB1、VB13、VC等多种维生素,为微生物提供微量营养。
还原铁粉:北京兴荣源科技有限公司,还原铁粉,孔径为400目。
羧甲基纤维素钠:山东潍坊力特复合材料有限公司,型号为FH6-A,作为增稠剂,可促进混合液中不同密度的物料分散均匀,防止沉淀或漂浮。
有机硅润湿剂:青岛汇霖源化工有限公司,HLY-农用有机硅润湿增效剂。
丙烯酸乳液:南通生达化工有限公司,商品名为纯丙乳液,型号为SD-528。
实施例1
一种改性聚氨酯载体,其由以下方法步骤制备得到:S1、制备涂覆改性液,S2、制备改性聚氨酯载体。
S1、制备涂覆改性液:
(1)将35克木质粉末活性炭(200目),5.5克空心玻璃微珠(C20),0.2克复合维生素,1.5克核黄素,1.0克的L-半胱氨酸,1.5克还原铁粉,1.0g羧甲基纤维素钠,在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入350克自来水中,加入0.5克有机硅润湿剂,充分混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入15克丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
S2、制备改性聚氨酯载体:
(1)将空隙密度为60PPi的多孔聚氨酯泡沫切割成20x20x7mm的长方体备用;
(2)将切割好的多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,通过挤压出聚氨酯泡沫中的空气,使其充分吸收涂覆改性液,从而聚氨酯泡沫的内孔表面能够充分覆盖涂覆改性液;
挤压:采用双筒立式压榨机设备,将切割好的海绵和涂覆液放置于料筒中,通过控制压榨盘的上升和下降控制挤压。
(3)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式挤出多余的涂覆改性液,以控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
(4)将完成挤压排出多余涂覆液的聚氨酯泡沫在105-110°C烘箱中固化2h,得到本发明的载体。
经测试,多孔聚氨酯泡沫原料的比表面积小于2000m2/m3,而成品改性聚氨酯载体的比表面积高达25000m2/m3,堆积密度为25.5kg/m3
在SBR装置内投加15%的功能载体,中投加活性污泥,使MLSS(混合液悬浮固体浓度)达到3500mg/L,并使功能悬浮载体保持流化,通过进气量调节,使SBR池溶氧为2-4mg/L。污水采用化粪池污水,每天曝气21h,再停止曝气,沉淀3h,排水,再进水曝气,如此连续运行,挂膜10天,取经过挂膜的功能悬浮载体和一定量污泥置于培养皿中,采用微电极ORP测试仪,测定功能悬浮载体表面及中心位置的ORP,测试结果表1所示。
表1:功能悬浮载体ORP测试结果。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在一个20L的连续好氧实验装置内投加25%的本发明中的功能载体,一个20L的连续好氧实验装置内投加25%的HDPE悬浮MBBR载体(K3型,外径25mm),另一个20L的连续好氧实验装置投加25%的多孔聚氨酯泡沫(制备改性聚氨酯载体的原料,20x20x7mm)。三个装置接种城市污泥,使MLSS(混合液悬浮固体浓度)达到3500mg/L,并使功能悬浮载体保持流化,通过进气量调节,使SBR池溶氧为2-4mg/L。三个SBR进水(某合成制药厂UASB装置出水)水质为:COD 400-600mg/L,NH3-N 100-120mg/L,TN 130-150mg/L。每天曝气21h,再停止曝气,沉淀2h,排水,再进水曝气,如此连续运行,驯化20天后开始测定数据,3种载体的测试结果分别如表2、表3和表4所示,其中,COD、氨氮、总氮的单位为mg/L,停留时间HRT单位为小时。
表2:实施例1制备的功能载体进出水情况。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表3:HDPE塑料K3载体进出水情况。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表4:多孔聚氨酯泡沫进出水情况。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
从上述对比试验可分析,本发明的改性聚氨酯载体在好氧池内对TN具有40-60%的去除效率,优于传统的HDPE材质的MBBR载体。
实施例2
一种改性聚氨酯载体,其由以下方法步骤制备得到:S1、制备涂覆改性液,S2、制备改性聚氨酯载体。
S1、制备涂覆改性液:
(1)将36.0克椰壳粉末活性炭(325目),6.0克空心玻璃微珠(C20),0.2克复合维生素,1.0克核黄素,1.0克的L-半胱氨酸,1.2克还原铁粉,0.8g羧甲基纤维素钠,在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入320克自来水中,加入0.5克有机硅润湿剂,充分混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入20克丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
S2、制备改性聚氨酯载体:
(1)将空隙密度为50PPi的多孔聚氨酯泡沫切割成20x20x7mm的长方体备用;
(2)将切割好的多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,通过挤压出聚氨酯泡沫中的空气,使其充分吸收涂覆改性液,从而聚氨酯泡沫的内孔表面能够充分覆盖涂覆改性液;
(3)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式挤出多余的涂覆改性液,以控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
(4)将完成挤压排出多余涂覆液的聚氨酯泡沫在110°C烘箱中固化2h,得到本发明的载体。
经测试,多孔聚氨酯泡沫原料的比表面积小于2000m2/m3,而成品改性聚氨酯载体的比表面积高达26000m2/m3,堆积密度为28.2kg/m3
本实施例制备的功能载体与Levapor载体浸泡3h对不同染料脱色效果对比结果,如表5所示。
表5:本实施例的功能载体与Levapor载体脱色对比结果。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
从上述吸附对比表可以看出,本发明提供的载体,相对于目前市售的同类产品,具有更好的脱色作用。
实施例3
一种改性聚氨酯载体,其由以下方法步骤制备得到:S1、制备涂覆改性液,S2、制备改性聚氨酯载体。
S1、制备涂覆改性液:
(1)40克椰壳粉末活性炭(200目),7.5克空心玻璃微珠(C20),0.2克复合维生素,1.8克核黄素,1.2克的L-半胱氨酸,0.6克还原铁粉,0.8g羧甲基纤维素钠,在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入360克自来水中,加入0.5克有机硅润湿剂,充分混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入16克丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
S2、制备改性聚氨酯载体:
(1)将空隙密度为60PPi的多孔聚氨酯泡沫切割成20x20x7mm的长方体备用;
(2)将切割好的多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,通过挤压出聚氨酯泡沫中的空气,使其充分吸收涂覆改性液,从而聚氨酯泡沫的内孔表面能够充分覆盖涂覆改性液;
(3)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式挤出多余的涂覆改性液,以控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
(4)将完成挤压排出多余涂覆液的聚氨酯泡沫在110°C烘箱中固化2h,得到本发明的载体。
经测试,多孔聚氨酯泡沫原料的比表面积小于2000m2/m3,而成品改性聚氨酯载体的比表面积高达28500m2/m3,堆积密度为28.5kg/m3。本实施例制备的功能载体对不同的有机物吸附反应12h,吸附效果如表6所示,浓度单位为单位mg/L。
表6:本实施例的功能载体对常见有机物的吸附。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
本实施例制备的载体与市售HDPE材质的K3型号MBBR载体对含毒性物质(二氯甲烷,吡虫啉)的农药废水氨氮处理对比,装置为20L的SBR反应器,载体投加量都为30%,驯化培养15d后开始测定出水数据,如表7所示,其中,COD、氨氮、总氮的单位为mg/L,水质停留时间单位为小时。
进水为某农药AO出水,水质指标如下:COD 755mg/L,NH3-N 94mg/L,总氮 182mg/L,总盐 22000mg/L。
表7:本实施例功能载体和K3载体出水情况。
Figure DEST_PATH_IMAGE007
从上述对比实验可见发现,当采用本实施例制备的载体吸附毒性物质后,硝化菌受到的毒性抑制得到削弱,氨氮去除率达到污水综合排放标准(GB18918-2002)的要求,<35mg/L。
实施例4
一种改性聚氨酯载体,其由以下方法步骤制备得到:S1、制备涂覆改性液,S2、制备改性聚氨酯载体。
S1、制备涂覆改性液:
(1)将36克木质粉末活性炭(200目),X克空心玻璃微珠(C20),0.2克复合维生素,1.0克核黄素,1.0克的L-半胱氨酸,0.6克还原铁粉,0.8g羧甲基纤维素钠,在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入320克自来水中,加入0.5克有机硅润湿剂,充分混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入15克丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
S2、制备改性聚氨酯载体:
(1)将空隙密度为60PPi的多孔聚氨酯泡沫切割成20x20x7mm的长方体备用;
(2)将切割好的多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,通过挤压出聚氨酯泡沫中的空气,使其充分吸收涂覆改性液,从而聚氨酯泡沫的内孔表面能够充分覆盖涂覆改性液;
(3)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式挤出多余的涂覆改性液,以控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
(4)将完成挤压排出多余涂覆液的聚氨酯泡沫在110°C烘箱中固化2h,得到本发明的载体。
上述X克的空心玻璃微珠(C20)分别选取X=3.0,4.5,6.0,7.5,9.0进行配制实验,分析不同空心玻璃微珠加入量对载体流化性能的影响。载体流化测试为在10L的装置内,曝气量为3L/min,接种污泥4000mg/L,采用生活污水培养挂膜后10d,计算在装置内流动的载体与整个投加的整体的比例。载体投加量为单个反应器加入载体240片,实验结果如表8所示。
表8:不同空心玻璃微珠加入量对载体流化性能的影响。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
从上述实验可以发现,当活性炭与空心玻璃微珠的重量在一定范围内,制备的载体具有良好的流化性。在活性炭数量一定时,空心玻璃微珠的加入量如果过少,载体挂膜后密度密度大,大量沉积于反应器底部;当空心玻璃微珠的加入量过多时,载体挂膜后容易漂浮在水面而影响流化。
实施例5
一种改性聚氨酯载体,其由以下方法步骤制备得到:S1、制备涂覆改性液,S2、制备改性聚氨酯载体。
S1、制备涂覆改性液:
(1)将36.0克木质粉末活性炭(200目),6.0克空心玻璃微珠(C20),0.2克复合维生素,X克核黄素,1.0克的L-半胱氨酸,0.6克还原铁粉,0.8g羧甲基纤维素钠,在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入320克自来水中,加入0.5克有机硅润湿剂,充分混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入15克丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
S2、制备改性聚氨酯载体:
(1)将空隙密度为60PPi的多孔聚氨酯泡沫切割成20x20x7mm的长方体备用;
(2)将切割好的多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,通过挤压出聚氨酯泡沫中的空气,使其充分吸收涂覆改性液,从而聚氨酯泡沫的内孔表面能够充分覆盖涂覆改性液;
(3)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式挤出多余的涂覆改性液,以控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
(4)将完成挤压排出多余涂覆液的聚氨酯泡沫在110°C烘箱中固化2h,得到本发明的载体。
上述X克的核黄素(VB2)分别选取X=0.2,0.5,1.0,1.5,3.0进行配制实验,分析作为氧化还原介体的核黄素,其在不同添加量过程中对反硝化脱氮的影响,实验结果如表9所示。
反硝化实验条件:
人工配制的废水:KNO3 0.8g/L NaH2PO4 0.1g/L,葡萄糖 0.5g/L
MgCl2 0.01g/L FeSO4 0.01g/L CaCl2 0.02g/L
在5L的SBR装置内,载体投加量15%,温度20-25°C,停留时间4h,采用可调速实验搅拌机进行混合。原水测定总氮为105mg/L,实验结果为5次的平均值。
表9:不同添加量的核黄素对反硝化脱氮的影响。
Figure DEST_PATH_IMAGE009
从上述实验可发现,在该实施例中0.5-1.5g的核黄素加入量即可满足提升反硝化功能的效果,超过1.5g后提升效果不明显,反而会造成成本过高。

Claims (6)

1.一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、制备涂覆改性液,所述涂覆改性液由以下重量份计的原料混合制得,30-50份粉末活性炭,3.0-8.0份空心玻璃微珠, 0.5-1.5份核黄素,0.5-2.0份L-半胱氨酸,1.0-3.0份还原铁粉,1-4份羧甲基纤维素钠,200-450份水,0.5-2.0份有机硅润湿剂,8-20份丙烯酸乳液;
S2、制备改性聚氨酯载体,将多孔聚氨酯泡沫的外表面和内孔表面浸润涂覆改性液,固化,得到改性聚氨酯载体。
2.根据权利要求1所述的一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:步骤S1具体过程如下,
(1)将30-50份粉末活性炭,3.0-8.0份空心玻璃微珠, 0.5-1.5份核黄素,0.5-2.0份L-半胱氨酸,1.0-3.0份还原铁粉,1-4份羧甲基纤维素钠在混合器内混合均匀,得到改性干粉混合物;
(2)将改性干粉混合物倒入200-450份水中,加入0.5-2.0份重量的有机硅润湿剂,混合搅拌均匀,得到混合浆液;
(3)往混合浆液中加入8-20份重量的丙烯酸乳液,混合搅拌均匀,得到涂覆改性液。
3.根据权利要求1所述的一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:步骤S1的改性干粉混合物中还包括0.2-0.5份复合维生素。
4.根据权利要求1所述的一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:步骤S2具体过程如下,
(1)将空隙密度为40-60PPi多孔聚氨酯泡沫浸泡于涂覆改性液中,挤压去除聚氨酯泡沫内孔中的空气;
(2)将吸收了涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫取出,通过挤压的方式排除多余的涂覆改性液;
(3)将完成挤压、排除多余涂覆改性液的多孔聚氨酯泡沫在90-120°C烘箱中固化1-4h,得到改性聚氨酯载体。
5.根据权利要求4所述的一种改性聚氨酯载体的备方法,其特征在于:步骤S2的(2)中,通过挤压的方式排除多余的涂覆改性液,能够控制后续经过固化的改性聚氨酯载体的堆积密度为20-35kg/m3
6.一种改性聚氨酯载体,其由权利要求1~4中任一所述方法制备得到。
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