CN114247417B - 一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用，所述复合填料包括鲍尔环和填充在所述鲍尔环内部的丝瓜络，所述鲍尔环的内表面及外表面均包裹有一层生物相容性较好的PDMS薄膜。本发明通过将鲍尔环、丝瓜络和PDMS三者按照特定方式结合，从而得到了一种对VOCs具有很好吸附和捕集性能，且较适合微生物附着生长的复合填料，十分适合用于生物滴滤净化VOCs系统，且制备方法简单，原料廉价易得，后处理方便，鲍尔环与PDMS复合骨架可再次利用，其余部分可实现自然降解，环保性好。

Description

一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及废气治理领域，尤其涉及一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)的排放具有废气种类多、排放行业多、排放源分散、排放总量大、浓度不稳定等特点，处理难度较大。不仅污染环境，而且威胁着生命健康，一直以来都是重点关注的一大类气态污染物。

治理VOCs气体的方法众多，与其它方法相比，生物法因具有工艺流程简单、无二次污染等优点而得到广泛的研究和应用。生物法包括生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法，其中生物滴滤法是在生物过滤基础上发展而来的技术，其净化效果更好，尤其在处理疏水性VOCs方面更具优势，得到了广泛的研究和应用。

生物滴滤塔内主要由填料和微生物构成，填料是完成气液传质交换的场所，微生物附着在其表面和内部逐渐形成生物膜，成膜效果的好坏关系到滴滤塔对VOCs的净化性能，因此，填料的性能十分重要。目前用于生物滴滤塔内的填料主要有陶粒、活性炭、聚氨酯海绵、火山岩、改性硅藻土等惰性填料，也有椰壳等非惰性填料。传统填料的性能已得到了广泛的探究，目前对于填料的改良和新型填料的开发更加有利于提高滴滤塔的性能。非惰性填料可被微生物部分降解，聚氨酯海绵等一类疏松多孔的填料质地较为松软，这些填料在使用初期表现出良好的性能，如易于微生物附着，挂膜迅速等，但长期使用后的性能往往不够稳定，易因生物膜的过量代谢和积累而逐渐被压实。填料的压实会导致床层压损增大，去除效率下降，减短滴滤塔的运行寿命，最终停止运行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用。该防压实丝瓜络复合填料具有制备方法简单，对菌液吸附性能好，挂膜操作简便，对VOCs捕集效率高等优点。

第一方面，本发明提供一种防压实丝瓜络复合填料，包括鲍尔环和填充在所述鲍尔环内部的丝瓜络，所述鲍尔环的内表面及外表面均包裹有一层厚度为0.3μm～0.6μm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。

本发明所述鲍尔环为塑料制品，具有一定的硬度，长期运行后形态基本不变，具备防压实特性，其具有气通量大、阻力小等优点，但由于孔道过大，在用于废气处理时，前期不易挂膜，净化效率不够理想。丝瓜络是一种生物质材料，其天然的无规则孔道结构具有比表面积大、吸附性能好等优点，但与大部分疏松多孔、质地松软的填料一样，丝瓜络在滴滤塔长期使用后也很容易变形。本发明将鲍尔环和丝瓜络结合起来，具体为将丝瓜络填充于鲍尔环，并在鲍尔环表面设置一层PDMS薄膜，既有利于鲍尔环与丝瓜络衔接，又增强鲍尔环的生物相容性，从而得到了一款对VOCs具有很好吸附和捕集性能的复合填料，十分适合用于生物滴滤系统净化VOCs。而且，本发明所用材料廉价易得，为类似丝瓜络等生物质材料的使用提供了新的思路和方法；使用后易于处理，鲍尔环与PDMS骨架可再次利用，其余部分可实现自然降解，环保性好。

需要说明的是，鲍尔环的尺寸根据后续应用设备滴滤塔的内径而定，重点在于鲍尔环采取较密集的圆形拓扑方式堆积后，圆的直径与滴滤塔内径相当。

进一步地，所述丝瓜络为条状，长度与所述鲍尔环的高度相等，宽度与所述鲍尔环骨架的底部半径相差不超过5％。

本发明将丝瓜络设计成上述尺寸，既可以实现良好的生物挂膜、吸附作用，又可以保证整个复合填料的稳定性。经试验证明，本发明制作的复合填料在使用过程中未出现丝瓜络被微生物大量降解而随循环液排出的现象，具有很好的稳固性。

进一步地，所述丝瓜络的填充率为92％～96％。

第二方面，本发明提供上述防压实丝瓜络复合填料的制备方法，包括在鲍尔环内外表面形成一层有黏性的PDMS薄膜后，再填充入丝瓜络的步骤。

本发明的制备方法简单，可快速生产，能在实验室范围内自主完成生产制作过程，也可大规模工业化生产。

在本发明一个优选实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

a.将洁净干燥的鲍尔环浸没入混合均匀的PDMS溶液中，使其表面与PDMS溶液充分接触；

b.将鲍尔环取出，用高压气体吹扫直至没有PDMS液体飞出，鲍尔环表面形成一层有黏性的薄膜；

c.将丝瓜络清洗干净后在水里泡软，取出剪成合适大小的长条状，并将丝瓜络长条逐个穿入鲍尔环的空隙中，边缘处与PDMS黏性薄膜接触；

d.将填充完丝瓜络的鲍尔环放入烘箱烘烤定型，其表面PDMS薄膜经烘烤后凝固定型，即得防压实丝瓜络复合填料。

进一步地，步骤a中，所述PDMS溶液由体积比为10:1的主剂与硬化剂混合得到。

进一步地，步骤b中，所述高压气体由功率不低于800W的空气压缩机鼓出。

进一步地，步骤d中，烘烤定型的温度为120±5℃，定型后的丝瓜络经PDMS薄膜的作用与鲍尔环较好结合。

第三方面，本发明还提供上述防压实丝瓜络复合填料在生物滴滤净化挥发性有机物系统中的应用。

进一步地，根据滴滤系统尺寸，将所述防压实丝瓜络复合填料按一定规律排列、固定，制备成一体式复合填料进行应用。

本发明提供的复合填料可实现一体化有序装填，可根据滴滤塔的不同形式灵活设计特殊的堆积方式。

在本发明一个应用例中，滴滤系统为滴滤塔，一体式填料的排列方式为以鲍尔环的圆柱体侧面相切的方式，按照滴滤塔的内径大小，由多个鲍尔环组合成一个与滴滤塔内径相当的单层填料，整体用两条橡皮筋固定，填料边缘空隙较大的部分用丝瓜络填充。

在本发明一个应用例中，挥发性有机物为甲苯。

本发明提供了一种防压实丝瓜络复合填料及其制备方法和应用，通过将鲍尔环、丝瓜络和聚二甲基硅氧烷三者按照特定方式结合，从而得到了一种对VOCs具有很好吸附和捕集性能的复合填料，十分适合用于生物滴滤净化VOCs系统，且制备方法简单，原料廉价易得，后处理方便，鲍尔环与PDMS复合骨架可再次利用，其余部分可实现自然降解，环保性好。

附图说明

图1为本发明提供的单个防压实丝瓜络复合填料的实物图，其中(a)俯视图(b)侧视图；

图2为本发明提供的一体式的单层防压实丝瓜络复合填料的实物图，其中(a)俯视图(b)侧视图；

图3为利用本发明防压实丝瓜络复合填料装填的生物滴滤塔的挂膜启动与运行性能图；

图4为本发明一体式单层防压实丝瓜络复合填料长期使用后的实物图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市购获得。

若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本实施例提供一种防压实丝瓜络复合填料，其制备方法如下：

a.将PDMS主剂与硬化剂按照10:1的体积比混合，充分搅拌均匀以备用。

b.将洁净干燥的鲍尔环(圆柱形，底面直径为25mm，高度为25mm)完全浸没入混合均匀的PDMS溶液中，使其表面与PDMS溶液充分接触。

c.将鲍尔环取出，用功率为800W的空气压缩机鼓出的高压气体吹扫，直至没有PDMS液体飞出，且鲍尔环表面均匀附着有一层PDMS黏性薄膜。

d.将丝瓜络清洗干净后在水里浸泡3h，取出后按照丝瓜络的纹路，延纵向方向(与柱型丝瓜络圆形界面相垂直的方向)剖开，剪成宽度为12mm、长度为25mm的长条状，并将条状丝瓜络逐个穿入鲍尔环的空隙中，整理好之后二次修剪，使丝瓜络和鲍尔环上下底面相齐平。

e.将制备好的复合填料置于烘箱中120℃下烘烤半小时，定型后取出，即得单个防压实丝瓜络复合填料(丝瓜络的填充率为94％，鲍尔环表面PDMS薄膜厚度为0.5μm)，其实物图如图1所示。

f.将单个防压实丝瓜络复合填料按照图2方式排列，组合成适用于内径为110mm的滴滤塔内的一体式填料。

以上述制备的防压实丝瓜络复合填料为载体，挂膜启动一台生物滴滤塔，治理疏水性VOCs——甲苯为例，具体实施方法如下：

为增加填料在滴滤塔内的利用率，将上述填料逐层错位装填进滴滤塔内，以甲苯为目标污染物，气体停留时间为71.3s，挂膜启动一台立式生物滴滤塔，监测其挂膜启动与运行性能和压损的变化。

图3为利用防压实复合填料装填的生物滴滤塔挂膜启动与运行性能图。由图可知，在挂膜启动期间，生物滴滤塔总体压损较低且波动不大，处于13Pa以下。挂膜过程中发现该填料对菌液的吸附性能较好，可将菌液直接吸附并保持在填料内部，简化了操作步骤。实验中采用较高浓度污染物驯化的方式启动滴滤塔，可以发现，该滴滤塔最初4天的降解效率在55％以上并呈逐渐升高的趋势，之后随进口浓度的不断提高，净化效率有所下降，但一直维持在55％以上，之后降低入口浓度到300mg/m³左右，去除效率不断升高，在17天之后达到90％以上，滴滤塔启动成功。之后开展不同浓度及停留时间的性能实验研究，在连续运行80天后，滴滤塔压损开始有明显的升高和波动，但尚未对去除效率造成影响，直至92天之后，随着进口甲苯浓度和压损的升高，去除效率有所下降，但也维持在85％以上。运行期间压损保持在400Pa以下，未出现明显的堵塞现象。在此后取出塔内填料，发现填料内部生长了大量的生物膜，但总体形貌未发生明显的改变，未出现压实的现象(如图4)。

以上实施案例表明，该防压实复合填料在滴滤塔内具有较好的使用性能，表现为对菌液的吸附性能好，可简化挂膜步骤，减短挂膜操作时间；对甲苯的初始降解效率较高，且可保持在一定水平；长期运行后填料内的丝瓜络并未出现明显的迁移转化，保持基本形貌不变，且未出现压实现象。以上可说明该复合填料具有防压实性能，且在滴滤塔内使用性能良好。

本实施例还按照上述相同的方法对其它VOCs——乙醇、乙酸丁酯分别进行了治理。结果，该防压实复合填料在滴滤塔内具有较好的使用性能，表现为对菌液的吸附性能好，可简化挂膜步骤，减短挂膜操作时间，对乙醇、乙酸丁酯的降解效率也较高，且长期运行后，该防压实复合填料形貌基本不变。

实施例2

本实施例提供一种防压实丝瓜络复合填料，其制备方法如下：

a.将PDMS主剂与硬化剂按照10:1的体积比混合，充分搅拌均匀以备用。

b.将洁净干燥的鲍尔环(圆柱形，底面直径为25mm，高度为25mm)完全浸没入混合均匀的PDMS溶液中，使其表面与PDMS溶液充分接触。

c.将鲍尔环取出，用功率为800W的空气压缩机鼓出的高压气体吹扫，直至没有PDMS液体滴下，且鲍尔环表面均匀附着有一层PDMS薄膜。

d.将丝瓜络清洗干净后在水里浸泡3h，取出后按照丝瓜络的纹路，延纵向方向(与柱型丝瓜络圆形界面相垂直的方向)剖开，剪成宽度为10mm、长度为25mm的长条状，并将条状丝瓜络逐个穿入鲍尔环的空隙中，整理好之后二次修剪，使丝瓜络和鲍尔环上下底面相齐平。

e.将制备好的鲍尔环与丝瓜络复合填料置于烘箱中120℃下烘烤半小时，定型后取出，即得单个防压实丝瓜络复合填料(丝瓜络的填充率为89％，鲍尔环表面PDMS薄膜厚度为1.2μm)。

f.将单个防压实丝瓜络复合填料按照与实施例1中相同的方式排列，组合成适用于内径为110mm的滴滤塔内的一体式填料。

以上述制备的防压实丝瓜络复合填料为载体，按照与实施例1相同的方法治理甲苯。结果，长期运行后该防压实复合填料形貌基本不变，但甲苯降解率低于实施例1。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种防压实丝瓜络复合填料在生物滴滤净化挥发性有机物系统中应用，其特征在于，根据滴滤系统尺寸，将防压实丝瓜络复合填料按一定规律排列、固定，制备成一体式复合填料进行应用；

所述防压实丝瓜络复合填料，包括鲍尔环和填充在所述鲍尔环内部的丝瓜络，所述鲍尔环的内表面及外表面均包裹有一层厚度为0.3μm~0.6μm的PDMS薄膜；

所述丝瓜络为条状，长度与所述鲍尔环的高度相等，宽度与所述鲍尔环骨架的底部半径相差不超过5%；所述丝瓜络的填充率为92%~96%；

所述防压实丝瓜络复合填料的制备方法包括在鲍尔环内外表面形成一层聚二甲基硅氧烷薄膜后，再填充入丝瓜络的步骤；

所述制备方法包括以下步骤：

a.将洁净干燥的鲍尔环浸没入混合均匀的PDMS溶液中，使其表面与PDMS溶液充分接触；

b.将鲍尔环取出，用高压气体均匀吹扫直至没有PDMS液体飞出，鲍尔环表面形成一层有黏性的薄膜；

c.将丝瓜络清洗干净后在水里泡软，取出剪成合适大小的长条状，并将丝瓜络长条逐个穿入鲍尔环的空隙中，边缘处与PDMS黏性薄膜接触；

d.将填充完丝瓜络的鲍尔环烘烤定型，即得防压实丝瓜络复合填料。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤a中，所述PDMS溶液由体积比为10:1的主剂与硬化剂混合得到。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤b中，所述高压气体由功率不低于800W的空气压缩机鼓出。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤d中，烘烤定型的温度为120±5℃。