CN117658315B - 一种铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备及应用 - Google Patents
一种铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于环境工程技术领域，提供一种铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备及应用。通过在聚己二酰己二胺中引入C‑Fe‑PAQ，提高填料整体导电性；利用C‑Fe‑PAQ结构中氧化铁纳米颗粒表面存在的Fe(III)‑Fe(II)价态循环体系，强化微生物菌群中电子受体微生物与电子供体微生物间电子传递过程，结合碳化PAQ表面空位结构可提升微生物电子传递作用，促进菌群互营代谢作用和增殖过程；碳化的PAQ表面含氧官能团能够利用氢键作用和静电引力作用选择性的吸附表面带有对应特种官能团的功能微生物，进而形成对功能微生物的选择性富集和驯化。该制备方法简单、原料来源广泛、价格低廉，易于大规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及到铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维材料制备方法，特别涉及到将纤维材料作为填料强化功能微生物增殖的方法革新。
背景技术
目前，常用于微生物负载的传统填料普遍采用组合纤维填料、软性纤维填料、半软性填料、立体弹性填料、多孔悬浮球填料、生物转盘等形式，其主要成分为聚乙烯、聚氯乙烯、涤纶纤维、聚丙烯等。上述填料由于自身结构中缺少功能性官能团或结构单元，因此无法实现对其表面功能微生物菌群的定向驯化，同时也无法有效提高填料上负载的微生物容量。
对填料的功能化改性是一种增加其微生物容量和功能微生物选择性负载的有效方式。目前，尚无关于高分子填料体系定向提高微生物负载量的功能化改性研究。本发明以聚己二酰己二胺高分子材料作为填料主体，将铁掺杂碳化聚蒽醌材料(C-Fe-PAQ)引入体系中，其中聚蒽醌中掺杂的铁离子在煅烧过程中能够以氧化铁纳米颗粒的形式均匀分散在碳化聚蒽醌表面，将其球磨后与聚己二酰己二胺高分子材料熔融共混，利用挤出机形成C-Fe-PAQ纤维材料。C-Fe-PAQ表面存在的含氧官能团能够增加其与聚己二酰己二胺的相容性；同时，C-Fe-PAQ表面负载有大量氧化铁纳米颗粒可与碳化后的PAQ共同提高纤维材料的导电能力；此外，在负载微生物后，氧化铁纳米颗粒表面Fe(III)-Fe(II)价态循环体系与碳化PAQ空位结构协同作用能够显著增加微生物电子传递过程，从而促进微生物菌群的代谢作用和增殖活性，从而实现对功能微生物定向驯化和提升填料微生物负载容量的目的。
发明内容
本发明提供一种C-Fe-PAQ负载聚己二酰己二胺纤维制备方法，利用其对微生物电子传递过程的强化作用，提高功能微生物负载量。通过在聚己二酰己二胺主体材料中引入C-Fe-PAQ，提高填料整体导电性；同时，利用C-Fe-PAQ结构中氧化铁纳米颗粒表面存在的Fe(III)-Fe(II)价态循环体系，强化微生物菌群中电子受体微生物与电子供体微生物间电子传递过程，结合碳化PAQ表面空位结构可进一步提升微生物电子传递作用，促进菌群互营代谢作用和增殖过程；此外，碳化的PAQ表面含氧官能团能够利用氢键作用和静电引力作用选择性的吸附表面带有对应特种官能团的功能微生物，进而形成对功能微生物的选择性富集和驯化。
本发明的技术方案：
一种铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法，步骤如下：
步骤1：参考“Synthesis of Nylon 6,6Copolymers with Aromatic PolyamideStructure”文章中方法制备本专利所需聚己二酰己二胺材料。
步骤2：参考“Rechargeab Aqueous Polymer-Air Batteries Based onPolyanthraquinone Anode”文章中方法制备本专利所需聚蒽醌(PAQ)材料。
步骤3：将步骤2中制备的PAQ与硝酸铁共混，放入球磨机中，球磨时间为1h，转速为4000rpm，其中PAQ与硝酸铁投加质量比为10:1-1:1，球磨后将混合物放入带有机械搅拌桨的反应器中，抽真空，加热反应器至250℃，保持真空状态，搅拌1h，自然冷却至室温，取出凝固后的混合物，放入刚玉瓷舟中，以管式炉煅烧，通入氮气作为保护气，升温速率5℃/min，梯度升温，分别在350℃阶段恒温反应1h和800℃阶段恒温反应1h，自然冷却至室温，取出碳化后混合物(C-Fe-PAQ)，研磨，直至颗粒能够通过600目筛网为止。
步骤4：将步骤1中聚己二酰己二胺材料加热至260℃，搅拌，待体系呈均匀的熔融状态，加入步骤3得到的研磨后的C-Fe-PAQ，两者质量比为8:2-19:1，在熔融态下搅拌60min，之后通过挤出机加工为纤维丝，再截取适当长度(20-2000mm)纤维丝固定于两根聚丙烯管上，形成能够用于负载微生物的固定式填料——纤维帘，即为铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备。
将铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备作为微生物载体，放入好氧或厌氧微生物反应装置中，填料间隔为100-1000mm，加入活性污泥进行培养。固定式填料可在较短时间内使纤维表面负载大量功能微生物。在运行条件和培养时间相同情况下，固定式填料表面的微生物负载量是传统填料的2-4倍。同时，菌群中产酸微生物的丰度相比传统填料增长了1.1-1.7倍。
本发明的有益效果：本发明方法中C-Fe-PAQ负载聚己二酰己二胺纤维材料，可作为微生物载体，C-Fe-PAQ表面官能团和导电性能够增强负载微生物胶团的稳定性，同时，促进其代谢活动和增殖过程。步骤1采用文献中的方法制备聚己二酰己二胺材料。步骤2采用文献中的方法制备PAQ材料。在步骤3中，将PAQ和硝酸铁共混，利用球磨机将固态的两种材料破碎，并均匀混合，这有助于后续熔融状态下铁离子在PAQ中的分散。待混合物经过熔融分散后，将其冷凝后固体放入管式炉中梯度煅烧，350℃阶段PAQ结构中羰基发生裂解，材料表面产生大量含氧官能团，该官能团能够与铁离子发生静电引力，捕获并固定铁离子。在800℃阶段，体系发生碳化重排反应，部分含氧官能团与之前被捕获的铁离子反应生成氧化铁，随着碳化重排反应的进行，大量氧化铁分子通过热运动团聚形成氧化铁纳米颗粒，硝酸根离子在该阶段也会转变为NO2和NO，该过程会在碳化的PAQ表面形成大量空位结构。步骤4将聚己二酰己二胺和C-Fe-PAQ熔融共混，挤出形成纤维丝。C-Fe-PAQ表面存在的含氧官能团能够增加其与聚己二酰己二胺的相容性；同时，C-Fe-PAQ表面负载有大量氧化铁纳米颗粒可与碳化后的PAQ共同提高纤维丝的导电能力。C-Fe-PAQ结构中氧化铁纳米颗粒表面存在的Fe(III)-Fe(II)价态循环体系，可强化微生物菌群中电子受体微生物与电子供体微生物间电子传递过程，结合碳化PAQ表面空位结构能够进一步提升微生物电子传递作用，促进菌群互营代谢作用和增殖过程。此外，碳化的PAQ表面含氧官能团能够利用氢键作用和静电引力作用选择性的吸附表面带有对应特种官能团的功能微生物，进而形成对功能微生物的选择性富集和驯化。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
铁掺杂碳化聚蒽醌(C-Fe-PAQ)材料制备：
(1)制备聚蒽醌(PAQ)材料
以2.2g双(1,5-环辛二烯)镍作为催化剂，1.25g二联吡啶和0.736ml 1,5-环辛二烯作为助催化剂，加入30mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声30min形成溶液A；将1.622g1,4-二氯蒽醌加入30mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声30min，形成溶液B，将溶液B逐滴加入溶液A中，滴加过程溶液A持续搅拌，滴加结束后，溶液持续搅拌，60℃反应72h，反应氛围为N2。反应结束后将溶液倒入100mL 0.5mol/L稀盐酸中，出现绿色沉淀，离心得到绿色固体，80℃烘干，得到PAQ。
(2)将PAQ与硝酸铁共混，放入球磨机中，球磨时间为1h，转速为4000rpm，其中PAQ与硝酸铁投加质量比7:3，球磨后将混合物放入带有机械搅拌桨的反应器中，抽真空，加热反应器至250℃，保持真空状态，搅拌1h，自然冷却至室温，取出凝固后的混合物，放入刚玉瓷舟中，以管式炉煅烧，通入氮气作为保护气，升温速率5℃/min，梯度升温，分别在350℃阶段恒温反应1h和800℃阶段恒温反应1h，自然冷却至室温，取出碳化后混合物(C-Fe-PAQ7)，研磨，直至颗粒能够通过600目筛网为止。
参照组：采用相同制备方法，选择不同的PAQ与硝酸铁投加比例，制备不同的C-Fe-PAQ材料，PAQ与硝酸铁投加质量比分别为10:1、9:1、5:5、1:0，纤维丝编号分别为C-Fe-PAQ10、C-Fe-PAQ9、C-Fe-PAQ5、C-Fe-PAQ0。
实施例2
纤维丝及固定式填料制备：
制备聚己二酰己二胺材料，选择1mol己二胺和1mol己二酸，分别溶于200mL乙醇溶液，之后将两者溶液混合，在60℃下搅拌，直至沉淀不在析出为止，过滤，醇洗，干燥，得到混合物，再将其配置为质量分数为60％的水溶液。将上述水溶液放入高压反应釜中，反应温度230℃，压力1.7MPa，反应2h，之后降低压力到常压状态，同时排出产生的水蒸气，将反应釜抽真空，压力降至0.1MPa，温度升至280℃，反应45min，之后排出反应釜中水溶液，得到聚己二酰己二胺材料。将其切块为小颗粒，放入反应釜中加热至260℃，搅拌，待体系呈均匀的熔融状态，加入实施例1中制备并研磨后的C-Fe-PA7，两者质量比为8:2，在熔融态下搅拌60min，之后通过挤出机加工为纤维丝，再截取500mm纤维丝固定于两根聚丙烯管上，形成能够用于负载微生物的固定式填料(FP7)。
参照组：采用相同制备方法，分别选择C-Fe-PAQ10、C-Fe-PAQ9、C-Fe-PAQ5、C-Fe-PAQ0，制备不同的纤维丝，及其对应固定式填料，固定式填料编号分别为FP10、FP9、FP5、FP0。
实施例3
FP固定式填料理化性能测试：
通过N2吸脱附实验测试FP10、FP9、FP7、FP5、FP0比表面积，分别为8.8、12.9、16.8、16.3、11.3m2/g。随着Fe掺杂量的增加纤维丝比表面积呈现先增加后减小的趋势，这是由于适量的氧化铁颗粒能够增加碳化PAQ的比表面积，而过多的氧化铁纳米颗粒则会堵塞碳化PAQ表面的孔隙结构，从而降低其比表面积。
通过四探针法测试FP10、FP9、FP7、FP5、FP0电阻，分别为170、189、220、300、340Ω。随着Fe掺杂量的增加纤维丝导电性逐渐增加，这有利于微生物的电子传递过程。
通过力学性能测试FP10、FP9、FP7、FP5、FP0拉伸强度，分别为160、156、167、161、163Mpa。随着铁的掺杂量对纤维丝的拉伸强度没有明显在影响。
实施例4
微生物负载对比测试：
将FP7作为微生物载体，放入厌氧微生物反应装置中，填料间隔为500mm，加入活性污泥进行培养。固定式填料可在较短时间内使纤维表面负载大量功能微生物。在运行条件和培养时间相同情况下，固定式填料表面的微生物负载量是传统填料(组合涤纶纤维填料、聚丙烯立体弹性填料、聚乙烯多孔悬浮球填料)的2.1、2.8、2.5倍。同时，菌群中产酸微生物的丰度相比传统填料(组合涤纶纤维填料、聚丙烯立体弹性填料、聚乙烯多孔悬浮球填料)增长了1.3、1.1、1.7倍。
Claims (5)
1.一种铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：制备聚己二酰己二胺材料；
步骤2：制备聚蒽醌PAQ材料；
步骤3：将步骤2中制备的PAQ与硝酸铁共混，放入球磨机中，球磨时间为1h，转速为4000rpm；球磨后将混合物放入带有机械搅拌桨的反应器中，抽真空，加热反应器至250℃，保持真空状态，搅拌1h，自然冷却至室温，取出凝固后的混合物，放入刚玉瓷舟中，以管式炉煅烧，通入氮气作为保护气，梯度升温，分别在350℃阶段恒温反应1h和800℃阶段恒温反应1h，自然冷却至室温，取出碳化后混合物C-Fe-PAQ，研磨；
步骤4：将步骤1中聚己二酰己二胺材料加热至260℃，搅拌，待体系呈均匀的熔融状态，加入步骤3得到的研磨后的C-Fe-PAQ，两者质量比为8:2-19:1，在熔融态下搅拌60min，之后通过挤出机加工为纤维丝，再截取适当长度纤维丝固定于两根聚丙烯管上，形成用于负载微生物的固定式填料——纤维帘，即为铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备。
2.根据权利要求1所述的铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法，其特征在于，步骤3中，PAQ与硝酸铁投加质量比为10:1-1:1。
3.根据权利要求1所述的铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法，其特征在于，步骤3中，梯度升温的升温速率5℃/min。
4.根据权利要求1所述的铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法，其特征在于，步骤3中，研磨后得到直至C-Fe-PAQ颗粒能通过600目筛网。
5.权利要求1-4任一铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料制备方法得到的铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料作为微生物载体的应用，其特征在于，铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料放入好氧或厌氧微生物反应装置中，铁掺杂碳化聚蒽醌负载聚己二酰己二胺纤维填料间隔为100-1000mm，加入活性污泥进行培养。
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