CN115672284A - 一种磁性复合基质颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性复合基质颗粒及其制备方法和应用。所述磁性复合基质颗粒由包括如下质量百分比的组分制备得到：20～30％Fe3O4粉末、40～50％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂。本发明制备得到的磁性复合基质颗粒用于制备生态浮岛以净化水体，原材料采用城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥和椰壳纤维作为基质的主要成分，应用中不会对水体生态环境造成危害，将城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥进行废物回收利用，以废治废，节省原料成本；同时具有磁性易分离易回收的优点。
Description
技术领域
本发明属于水生态修复技术领域，具体涉及一种磁性复合基质颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
生态浮岛作为一种新兴的绿色生态水处理技术，被广泛用于河流和湖泊的生态修复。在城市黑臭水体治理的实际应用中，生态浮岛对水生态修复有一定作用，但是水生植物吸收氮磷和重金属的能力有限。
近些年随着城市黑臭水体的整治，底泥清淤和市政管网清淤产生了大量的污泥，目前，大部分的脱水污泥被视为废弃物而被填埋处置，其中的可用资源没有得到利用。将污泥做成生物炭可以保留污泥中有利于植物生长的微量元素，并且而且含有大量的Si、A1、Fe等金属氧化物，有发达的微孔结构和较大的比表面积，这些性质使得生物炭吸附效率高、吸附点位较多，对水中的磷和重金属有很强的吸附能力。但是生物炭结构松散，强度较低，使用后较难分离回收，直接将其用于生态浮岛可能会造成水体二次污染。Fe3O4结构稳定，强度较高，且具有磁性易分离的特点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出了一种磁性复合基质颗粒及其制备方法和应用。本发明提供了一种原料来源丰富、成本低廉、磁性易分离回收、能够以废治废的去除氮磷和重金属的磁性复合基质颗粒，解决了生态浮岛修复水体时氮磷和重金属去除效果不佳的问题。
本发明首先采用生物炭、椰壳纤维和Fe3O4掺杂复合，制备了结构稳定，强度较高，且具有磁性易分离的特点，将三者结合，不仅提高吸附效果，基质稳定性和强度也大大提升；椰壳纤维和粘合剂淀粉都具有造孔作用进一步提高基质的孔隙率，使该基质具有发达孔隙结构，吸附性能较好；总之，本发明具有成本低廉、氨氮和重金属去除效果好、环境友好、资源回收利用、稳定性和结构强度较强的优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种磁性复合基质颗粒，由包括如下质量百分比的组分制备得到：20～30％Fe3O4粉末、40～50％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂。
优选的，所述磁性复合基质颗粒，由如下质量百分比的组分制备得到：25％Fe3O4粉末、45％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂。
所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物炭粉末、椰壳纤维粉末和Fe3O4粉末混合并进行反应复合，然后经清洗后、烘干、研磨后得到磁性复合材料粉末；
(2)将粘合剂加入到步骤(1)所述的磁性复合材料粉末中，混合粉末充分搅拌后加水，经造粒、加热干燥、冷却后得到所述磁性复合基质颗粒。
优选的，步骤(1)所述生物炭粉末按照如下方法制备得到：将污泥进行脱水固化后，使得含水率达到50～60％，在550～650℃下高温热解2～2.5h制得生物炭，生物炭经研磨后过40～80目筛即可。
优选的，所述污泥来源于城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥。
优选的，步骤(1)所述椰壳纤维粉末按照如下的方法制备得到：将椰壳纤维在105℃温度下干燥3～4h后，搅拌破碎研磨过40～80目筛即可。
优选的，步骤(1)所述反应复合的时间为1～1.5h。
优选的，步骤(2)所述粘合剂为可溶性玉米淀粉。
优选的，步骤(2)所述磁性复合基质颗粒的粒径为1～5mm。
优选的，步骤(2)所述干燥的方式为：在105℃下干燥12h。
优选的，步骤(2)所述加水的质量与混合粉末的质量比为0.3：1。
上述一种磁性复合基质颗粒在制备生态浮岛中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)环境友好、资源回收利用；本发明中的原材料采用城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥和椰壳纤维作为基质的主要成分，应用中不会对水体生态环境造成危害，将城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥进行废物回收利用，以废治废，节省原料成本；
(2)氮磷和重金属去除效果好；生物炭有发达的微孔结构和较大的比表面积，这些性质使得生物炭吸附效率高、吸附点位较多，对水中的磷和重金属有很强的吸附能力。由于生物炭和Fe3O4呈碱性，严重抑制对氨氮的去除和影响植物生长。为解决其对生态浮岛的影响，将椰壳纤维加入生物炭和Fe3O4的基质组合中，利用椰壳纤维的弱酸性特点，有效中和生物炭和Fe3O4的碱性，实现高效脱氮除磷的效果，同时椰壳纤维增加基质的孔隙率。
(3)稳定性和结构强度较强；生物炭结构松散，强度较低，使用后较难分离回收，直接将其用于生态浮岛可能会造成水体二次污染。Fe3O4结构稳定，强度较高，且具有磁性易分离的特点，将二者结合，不仅提高吸附效果，基质稳定性和强度也大大提升。
(4)磁性易分离易回收；基质中掺杂了Fe3O4，具有磁性易分离的特点，后期基质在利用完成后可以较容易的分离回收，然后再进行重复利用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种磁性复合基质颗粒，由如下质量百分比的组分制备得到：20％ Fe3O4粉末、50％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂(可溶性玉米淀粉)。
所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，步骤如下：
S1、对城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥进行脱水固化后，使得含水率达到60％，在650℃下高温热解2h制得生物炭；
S2、对生物炭和椰壳纤维分别进行干燥预处理，然后生物炭经过研磨，过80目筛即制得生物炭粉末；椰壳纤维在105℃恒温环境下干燥4h后，搅拌破碎研磨过80目筛，即制得椰壳纤维粉末；
S3、按照上述组分配比称取相应质量的生物炭粉末和椰壳纤维粉末，再加入磁性Fe3O4粉末进行反应复合，反应后静置30～60min。待反应彻底结束后，材料经清洗后、烘干、研磨成粉末，即制得磁性复合材料粉末(平均粒径为4mm)；
S4、将粘合剂添加到步骤S3中制得的磁性复合材料粉末中充分搅拌得到混合粉末，然后加入水，加水的质量与混合粉末的质量比为0.3：1，经造粒、105℃恒温下干燥12h处理后，得到所述磁性复合基质颗粒。
实施例2
一种磁性复合基质颗粒，由如下质量百分比的组分制备得到：30％ Fe3O4粉末、40％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂(可溶性玉米淀粉)。
所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，步骤如下：
S1、对城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥进行脱水固化后，使得含水率达到50％，在600℃下高温热解2h制得生物炭；
S2、对生物炭和椰壳纤维分别进行干燥预处理，然后生物炭经过研磨，过70目筛即制得生物炭粉末；椰壳纤维在105℃恒温环境下干燥3h后，搅拌破碎研磨过70目筛，即制得椰壳纤维粉末；
S3、按照上述组分配比称取相应质量的生物炭粉末和椰壳纤维粉末，再加入磁性Fe3O4粉末进行反应复合，并静置30～60min。待反应彻底结束后，材料经清洗后、烘干、研磨成粉末，即制得磁性复合材料粉末(平均粒径为3mm)；
S4、将粘合剂添加到步骤S3中制得的磁性复合材料粉末中充分搅拌得到混合粉末，然后加入水，加水的质量与混合粉末的质量比为0.3：1，经造粒、105℃恒温下干燥12h处理后，得到所述磁性复合基质颗粒。
实施例3
一种磁性复合基质颗粒，由如下质量百分比的组分制备得到：25％ Fe3O4粉末、45％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂(可溶性玉米淀粉)。
所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，步骤如下：
S1、对城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥进行脱水固化后，使得含水率达到50％，在550℃下高温热解2.5h制得生物炭；
S2、对生物炭和椰壳纤维分别进行干燥预处理，然后生物炭经过研磨，过40目筛即制得生物炭粉末；椰壳纤维在105℃恒温环境下干燥4h后，搅拌破碎研磨过40目筛，即制得椰壳纤维粉末；
S3、按照上述组分配比称取相应质量的生物炭粉末和椰壳纤维粉末，再加入磁性Fe3O4粉末进行反应复合，并静置30～60min。待反应彻底结束后，材料经清洗后、烘干、研磨成粉末，即制得磁性复合材料粉末(平均粒径为4mm)；
S4、将粘合剂添加到步骤S3中制得的磁性复合材料粉末中充分搅拌得到混合粉末，然后加入水，加水的质量与混合粉末的质量比为0.3：1，经造粒、105℃恒温下干燥12h处理后，得到所述磁性复合基质颗粒。
生态浮岛性能试验：
分别取250g的实施例1-3所制备的磁性复合基质颗粒及250g的生态环保土壤基质(以腐叶土、菜园土、砻糠灰为原料，按1：1.5：0.5的比例)装入尼龙网兜内，分别放置在相同大小的用于栽植于生态浮岛上的带孔塑料栽植盆(直径100mm)中，分别作为试验组1、试验组2和试验组3；将500g的生态环保土壤装入尼龙网兜内，放置在带孔塑料栽植盆中，作为空白样本；将500g生物炭装入尼龙网兜内，放置于另一个带孔塑料栽植盆中，作为对照组1；将500g椰壳纤维装入尼龙网兜内，放置于另一个带孔塑料栽植盆中，作为对照组2；将500g磁性Fe3O4装入尼龙网兜内，放置在另一个带孔塑料栽植盆中，作为对照组3。栽植盆中种植美人蕉，每盆栽种一株，植株高度基本相同，约为35～40cm。每盆植株均需喷洒常规植物营养料，本发明所用的植物营养料为淘宝网购入的美人蕉专用营养液(品牌名称为皇朝金品)，其成分主要为氮、磷、钾和多种微量元素。每次只需使用5ml营养液，使用前需加入250ml清水进行稀释，再喷洒到植物根部周围的土壤上即可。
生态浮岛小试装置连续流试验。采用规格相同的大水桶组建7组平行实验来人工模拟净化水体。实验污染水体通过抽水泵分别抽至7个生态浮岛的上表面，浮岛的四周用不透水的膜将其封住，使水只能依靠重力作用从浮岛底部流出，净化后的污水在水桶(水桶规格同上)中达到一定液位时便会以重力出流的方式流出桶外。水桶的底部放置一个曝气头，通过增氧泵向水中曝气供氧(均匀曝气，每分钟曝气气量约为1.2L)的同时起到搅拌混合的作用。连续流实验为期10d，实验期间控制7个抽水泵的流速相等(约为0.4m/s)，保证水力停留时间为12h，并每天对水中的氮、磷和重金属(六价铬和铜离子为代表)进行监测分析。10天后的测试结果见表1。
表1污水处理结果一览表
试验结果分析
对照表1，通过上述试验结果表明，除试验组外，其他组因种植有根部有净化作用的美人蕉，因此水体中的部分氮磷也有去除，但始终不能达到国家规定的标准，不能彻底解决水体黑臭和富营养化问题；添加本发明提供的生态浮岛磁性复合基质颗粒出水体均已达到III类水质标准；本发明所用生态浮岛磁性复合基质颗粒，相比单一基质生物炭和椰壳纤维，复合基质孔隙结构好，比表面积大，吸附性能更好；并且复合基质强度比单纯生物炭和椰壳纤维更高，且出水pH正常。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，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 (10)
1.一种磁性复合基质颗粒，其特征在于，由包括如下质量百分比的组分制备得到：20～30％Fe3O4粉末、40～50％生物炭粉末、20％椰壳纤维粉末和10％粘合剂。
2.权利要求1所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将生物炭粉末、椰壳纤维粉末和Fe3O4粉末混合并进行反应复合，然后经清洗后、烘干、研磨后得到磁性复合材料粉末；
(2)将粘合剂加入到步骤(1)所述的磁性复合材料粉末中，混合粉末充分搅拌后加水，经造粒、加热干燥、冷却后得到所述磁性复合基质颗粒。
3.根据权利要求2所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述加水的质量与混合粉末的质量比为0.3：1。
4.根据权利要求3所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述生物炭粉末按照如下方法制备得到：将污泥进行脱水固化后，使得含水率达到50～60％，在550～650℃下热解2～2.5h制得生物炭，生物炭经研磨后过40～80目筛即可。
5.根据权利要求4所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，所述污泥来源于城市湖泊和河道底泥清淤产生的底泥。
6.根据权利要求2～5任一项所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述磁性复合基质颗粒的粒径为1～5mm；
步骤(2)所述干燥的方式为：在105℃下干燥12h。
7.根据权利要求6所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述椰壳纤维粉末按照如下的方法制备得到：将椰壳纤维在105℃温度下干燥3～4h后，搅拌破碎研磨过40～80目筛即可。
8.根据权利要求7所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述反应复合的时间为1～1.5h。
9.根据权利要求7所述一种磁性复合基质颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述粘合剂为可溶性玉米淀粉。
10.权利要求1所述一种磁性复合基质颗粒在制备生态浮岛中的应用。
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2022
- 2022-11-03 CN CN202211370930.7A patent/CN115672284A/zh active Pending
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