CN113318713A - 复合粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合粒子及其制备方法和应用。所述复合粒子包括由内而外依次设置的内芯、第一包裹层、第一吸附层以及第二吸附层；所述第一吸附层和所述第二吸附层直接包裹或彼此之间设置有第二包裹层，所述第一吸附层和所述第二吸附层采用不同材料；各包裹层采用相同或不同材料，用于水化形成密闭层，且所述密闭层的渗透系数小于10^‑8cm/s。所述复合粒子应用于水体环境中，通过在水体中散裂的吸附层吸附污染物，吸附后沉降至水底，而内芯和包覆层沉降到河湖底形成阻隔层，阻断底泥的污染物释放；所述复合粒子应用于垃圾填埋场和尾矿库周边作为防渗垫层和隔离层，从污染源头吸附污染物以及形成阻隔层防止污染物进入水体。

Description

复合粒子及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及水处理技术领域，特别是涉及复合粒子及其制备方法和应用。

背景技术

大多池塘、沟渠以及河流等水体中分散有大量的污染物，包括无机污染物和有机污染；其中，无机污染物如磷酸盐、硝酸盐、重金属以及氨等；有机污染物如杀虫剂、除草剂、多环芳烃以及多氯联苯等。由于河湖底底部污泥会不断释放污染物至水体中，导致水体存在“长治久不清”难题，且这些水体中污染物通过各种吸收机制进入食物链，造成整个生态受损，甚至影响人体健康。

目前，为解决上述问题，通常在原有污染河道水体中投入各种试剂，虽短期内有一定效果，但往往治标不治本；亦可采用疏浚法处理河道污染底泥，从而达到去除污染物的目的，但这种处理方式存在污染物开挖、转运、堆放以及后续处理等一系列问题，处理流程复杂且需耗费大量资源，在处理不当情况下，还容易对环境造成二次污染。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提供了复合粒子及其制备方法与应用，利用复合粒子能够有效去除水体环境的污染物，以及阻隔土壤污染物的释放和迁移。

本发明的复合粒子，包括由内而外依次设置的内芯、第一包裹层、第一吸附层以及第二吸附层；

所述第一吸附层和所述第二吸附层直接包裹或彼此之间设置有第二包裹层，所述第一吸附层和所述第二吸附层采用不同材料；

各包裹层采用相同或不同材料，用于水化形成密闭层，且所述密闭层的渗透系数小于10^-8cm/s。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，还包括包覆第二吸附层的第三包裹层。

可选的，所述内芯的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为4～9mm；

各吸附层包括吸附材料和粘稠剂，所述吸附材料为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种；

各包裹层均为粘稠剂、土状材料和纤维的混合物；所述土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种；

所述纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，所述纤维的直径为0.1～100mm；

所述粘稠剂为瓜尔胶和聚酯纤维中的至少一种。

可选的，所述膨胀粘土来源于海泡石、蒙脱石、伊利石、高岭石、凹凸棒中的一种或多种。

本发明中，复合粒子的制备方法包括以下步骤：

在所述内芯的表面依次滚覆各层的材料，制得所述复合粒子。

本发明中，所述复合粒子在水体环境中的应用。

可选的，复合粒子的总密度不大于1.0g/cm³，第二吸附层内的结构的总密度大于1.0g/cm³。

可选的，所述第一吸附层为壳聚糖、木质素和瓜尔胶的混合物；所述第二吸附层为镧土矿物和聚酯纤维的混合物。

本发明中，所述复合粒子在垃圾填埋场中的应用，所述垃圾填埋场防渗垫层或隔离层的原料中包括所述复合粒子。

本发明中，所述复合粒子在尾矿库中的应用，所述尾矿库防渗垫层或隔离层的原料中包括所述复合粒子。

本发明还提供了一种复合粒子，包括由内而外依次设置的内芯与外壳；所述内芯的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为 4～9mm；

所述外壳的材料包括吸附剂、土状材料、纤维和粘稠剂；

吸附剂为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种；

所述土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种；

所述纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，所述纤维的直径为0.1～100mm；

所述粘稠剂为瓜尔胶和聚酯纤维中的至少一种。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果之一：

所述复合粒子应用于水体环境中，通过在水体中散裂的吸附层吸附污染物，而内芯和包覆层沉降到河湖底形成阻隔层，阻断底泥的污染物释放；

所述复合粒子应用于垃圾填埋场和尾矿库周边作为防渗垫层和隔离层，从污染源头吸附污染物以及形成阻隔层防止污染物进入水体。

附图说明

图1为本发明一实施中复合粒子的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

10、内芯；20、第一包裹层；30、第一吸附层；40、第二包裹层；50、第二吸附层；60、第三包裹层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

水体环境中一些污染物分散在水中，一些污染物则沉降在河湖底底泥中，目前，通过投放试剂处理水中污染物，但受水流影响，导致投放效果不佳；对于底泥污染物的处理一般采用疏浚法，从而达到去除污染物的目的，但这种处理方式存在污染物开挖、转运、堆放以及后续处理等一系列问题，处理流程复杂且需耗费大量资源，在处理不当情况下，还容易对环境造成二次污染。

垃圾填埋场为由人工根据自然地形挖凿而成的用于存放垃圾的场所，但垃圾在堆放过程中会不断产生大量的渗滤液，对周边土壤、地表下的水源以及生态环境造成严重的污染和破坏。尾矿库为用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，随堆存时间的延长，尾矿库中会不断产生废水，而废水的迁移对周边环境有很大的影响。

针对上述技术问题，本发明一实施例提供的复合粒子，包括由内而外依次设置的内芯10、第一包裹层20、第一吸附层30以及第二吸附层50；第一吸附层30和第二吸附层50直接包裹或彼此之间设置有第二包裹层40，第一吸附层 30和第二吸附层50采用不同材料；各包裹层采用相同或不同材料，用于水化形成密闭层，且密闭层的渗透系数小于10^-8cm/s。

一实施例中，复合粒子还包括包覆第二吸附层50的第三包裹层60，参见图1。第三包裹层60遇水快速散开，与水中磷结合下沉，起到锁磷的作用。

一实施例中，内芯10的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为4～9mm。复合粒子的机械强度主要受内芯10的材料和粒径影响，例如不同的应用场景要求内芯10的密度不同，密度不同往往会导致整个复合粒子的比重不同。其中，骨料芯包括粉碎建筑弃料、砖、混凝土、陶粒等；天然石材包括石灰岩、沙岩等。

各包裹层均为粘稠剂、土状材料和纤维的混合物；土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种，膨胀粘土来源于海泡石、蒙脱石、伊利石、高岭石、凹凸棒中一种或多种；根据应用工况下的酸碱性、pH值不同，制备具有一定混合比例的多重粘土。纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，纤维的粒径为0.1～100mm。这些纤维均具有较好的强度，能够提高水化隔离层的抗拉强度和抗冲刷强度。

各吸附层包括吸附材料和粘稠剂，吸附材料为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种。其中，活性碳、有机粘土和均具有吸附轻质碳氢化合物、重烃等功能；轻质碳氢化合物如甲苯、苯、乙苯等；重烃如焦油、煤残渣、污泥；活性氧化铝和木质素能够吸附重金属离子或化合物，例如铅、汞、铬、砷等；壳聚糖的作用为益生菌提供碳源，加速益生菌的繁殖；泥苔藓能够吸收阳离子(如钙和镁)和释放氢离子来酸化其周围环境，因此泥炭地的土壤呈不同程度的酸性；镧土矿物能够有效吸附水体中磷。

在制备吸附层或包裹层的过程中添加粘稠剂，例如瓜尔胶、聚酯纤维等，一方面用于混合和粘结物料，保证在内芯上形成稳定的层结构，另一方面粘稠剂遇水后能够迅速水化，释放出其他物料。

一实施例中，还提供了复合粒子的制备方法，包括以下步骤：在内芯10 的表面依次滚覆各层的材料，制得复合粒子。该制备方法简单，易于操作。

本发明制备的复合粒子应用于水体环境中，复合粒子在沉降过程中发生散裂；其中，两吸附层遇水后能够先后快速分散，将吸附材料释放到水中以吸附水体中的污染物。为了使各吸附层充分吸附可适当增设人为扰动措施，比如增设底部推流。两吸附层分散后，剩余的包裹层和内芯10由于比重较大直接沉入水底，并水化形成封闭层；由于封闭层具有低渗透系数，能够阻隔河湖底底泥中污染的释放。为了保证湖库的容量和便于污染物的清理，可采用河湖底扰动形式，使吸附饱和的两层吸附层悬浮以便于机械清理。

一实施例中，复合粒子的总密度不大于1.0g/cm³，第二吸附层50内的结构的总密度大于1.0g/cm³。为了保证两吸附层的分散效果，需要求复合粒子刚投入水中呈悬浮状态，不会迅速沉底，使第二吸附层50能够充分分散；第二吸附层50基本分散完后，剩余结构的总密度发生变化，要求大于水体密度，在重力的作用下沉入水底。需要说明的，一般水体的密度为1.0g/cm³，但对于不同密度水体，对第二吸附层50内的结构可作适应性地调整，以满足沉降所需的重力要求。

根据水体中污染情况，选取不同的材料分别作为第一吸附层30和第二吸附层50，使第二吸附层50首先在水中分散，可用于吸附轻质物质，例如轻质碳氢化合物和无机盐等；而后分散的第一吸附层30适用于吸附重金属离子或化合物，例如铅、汞、铬、砷等。

一实施例中，第一吸附层为壳聚糖、木质素和瓜尔胶的混合物；第二吸附层为镧土矿物和聚酯纤维的混合物。

对于氮磷含量高的水体，一实施例中，各吸附层中还含有沸石和硫酸铝；沸石用于去除氨类化合物，硫酸铝用于去除磷酸盐。

一实施例中，第二包裹层40厚度大于第三包裹层60。第三包裹层60的厚度小，遇水分散速度快；第二包裹层40的厚度大，充分遇水反应，沉入水底开始散裂。

本发明制备的复合粒子还可应用于垃圾填埋场和尾矿库中作为防渗垫层和隔离层的原料。根据隔离以及防渗垫层周边的土体渗透性以及密实度等情况，将复合粒子与细粒料的砂石按照一定比例掺拌混合，填筑并压实；若在碾压过程中为保证压实度，含水量控制在5％左右，调整含水量过程中可添加适当水分。

一方面，各吸附层能够原位吸附渗滤液和废水中的污染物，另一方面两包裹层遇水后形成的两个密闭层，有效阻断渗滤液和废水的迁移，从而保护周边环境和水源。

另一实施例中，还提供了一种复合粒子，包括由内而外依次设置的内芯10 与外壳，内芯10的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为4～9mm；

外壳的材料包括吸附剂、土状材料、纤维和粘稠剂；吸附剂为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种；土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种；纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，纤维的直径为0.1～100mm；粘稠剂为瓜尔胶和聚酯纤维中的至少一种。

本发明提供的复合粒子应用于水体环境中，通过在水体中散裂的吸附层吸附污染物，而内芯10和各包覆层沉降到河湖底形成阻隔层，阻断底泥的污染物释放；应用于垃圾填埋场和尾矿库周边作为防渗垫层和隔离层，从污染源头吸附污染物以及形成阻隔层阻止污染物进入水体。

上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，但只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

上述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.复合粒子，其特征在于，包括由内而外依次设置的内芯、第一包裹层、第一吸附层以及第二吸附层；

所述第一吸附层和所述第二吸附层直接包裹或彼此之间设置有第二包裹层，所述第一吸附层和所述第二吸附层采用不同材料；

各包裹层采用相同或不同材料，用于水化形成密闭层，且所述密闭层的渗透系数小于10^-8cm/s。

2.根据权利要求1所述的复合粒子，其特征在于，还包括包覆第二吸附层的第三包裹层。

3.根据权利要求2所述的复合粒子，其特征在于，所述内芯的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为4～9mm；

各吸附层包括吸附材料和粘稠剂，所述吸附材料为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种；

各包裹层均为粘稠剂、土状材料和纤维的混合物；

所述土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种；

所述纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，所述纤维的直径为0.1～100mm；

所述粘稠剂为瓜尔胶和聚酯纤维中的至少一种。

4.权利要求1～3任一所述的复合粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述内芯的表面依次滚覆各层的材料，制得所述复合粒子。

5.根据权利要求1～3任一所述的复合粒子在水体环境中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，复合粒子的总密度不大于1.0g/cm³，第二吸附层内的结构的总密度大于1.0g/cm³。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述第一吸附层为壳聚糖、木质素和瓜尔胶的混合物；所述第二吸附层为镧土矿物和聚酯纤维的混合物。

8.根据权利要求1～3任一所述的复合粒子在垃圾填埋场中的应用，其特征在于，所述垃圾填埋场防渗垫层或隔离层的原料中包括所述复合粒子。

9.根据权利要求1～3任一所述的复合粒子在尾矿库中的应用，其特征在于，所述尾矿库防渗垫层或隔离层的原料中包括所述复合粒子。

10.复合粒子，其特征在于，包括由内而外依次设置的内芯与外壳；

所述内芯的材料为骨料芯、天然石材、粘土矿物质中的一种或多种，粒径为4～9mm；

所述外壳的材料包括吸附剂、土状材料、纤维和粘稠剂；

吸附剂为活性炭、有机粘土、沸石、明矾、活性氧化铝、壳聚糖、木质素、泥苔藓、镧土矿物中一种或多种；

所述土状材料为膨润土、膨胀粘土、粘土矿物中一种或多种；

所述纤维为塑料、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、黄麻纤维、亚麻纤维中一种或多种，所述纤维的直径为0.1～100mm；

所述粘稠剂为瓜尔胶和聚酯纤维中的至少一种。

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