一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法
2024-04-08 14:32:05
專利名稱：一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法
技術領域：
本發明涉及一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法。
背景技術：
目前纖維材料應用於水處理載體方面較為成熟的是碳纖維材料。通過碳素纖維具有的高度生物親和性，形成活性生物膜，利用微生物的功能，分解汙染物質。碳纖維是一種理想的生物載體，使用效果好，已經受到國內外廣泛關注，並有較多成功的工程應用案例。但是，碳纖維雖然性能好，但是價格高，性價比較低，不能得到市場廣泛接受。本發明所採用的玄武巖纖維(BFs)是一種綠色環保高性能無機矽酸鹽纖維，它是由二氧化矽、氧化鋁、氧化鈣和二氧化鈦等氧化物組成的玄武巖石料在高溫熔融後，通過漏板快速拉制而成的。玄武巖石料的成分非常複雜，它是由二氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、氧·化鈣、二氧化鈦等多種氧化物組成。玄武巖纖維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)等高技術纖維相比，除了具有高技術纖維高強度、高模量的特點外，玄武巖纖維還具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適應於各種環境下使用等優異性能，且性價比好，是一種純天然的無機非金屬材料。玄武巖纖維作為水質淨化用載體材料目前還是空白領域，玄武巖纖維已經具備了作為水質淨化用載體的一般性能，但是為了更好提高其表面微生物附著性，需要對其表面進行改性處理。
發明內容
發明目的本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法，提高其表面微生物附著性。技術方案為了解決上述技術問題，本發明採用了如下的技術方案—種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法，它包括如下步驟(I)刻蝕將需要表面改性處理的玄武巖纖維束置入濃度為I. O 2. OmoI/L的醋酸溶液中I. O 2. Oh ;然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水的pH值為
6.5 7. 5，待用；(2)高級氧化處理在去離子水中持續通入濃度為8 15mg/L的O3氣體；然後在去離子水中加入H2O2，去離子水中的H2O2的加入量為2. 4 3. 6ml/L，然後調節H2O2水溶液的pH值為7. 5 8. 5 ;將經過步驟(I)刻蝕後的纖維束放置在H2O2水溶液中，反應30 45min ;然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水pH值為6. 5
7.5，待用；(3)將濃度為O. 5 O. 8mo VLFeCl3溶液用NaOH溶液調至pH為6. 5 7. 5，形成Fe (OH) 3膠體懸浮液；將經過步驟(2)高級氧化處理後玄武巖纖維束置於Fe (OH) 3膠體懸浮液中靜置30 45min ;然後將玄武巖纖維取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水pH為6. 5
7.5，再將去離子水衝洗後的玄武巖纖維置於溫度為100 120°C恆溫乾燥箱中烘乾I 2h即可。其中，步驟(2)持續通入O3氣體3 8min。
有益效果本發明採用酸刻蝕、高級氧化和陽離子沉積的方法對玄武巖纖維載體表面進行處理，可以有效地提高其表面粗糙度，增加了微生物與載體間的有效接觸面積，有利於微生物在其表面附著和固定；可以顯著增加玄武巖纖維表面含氧官能團，使得玄武巖纖維表面潤溼性增加，有利於親水性細菌易於擴散到載體表面，增加附著機率；可以提升載體表面電位並帶正電荷，利用靜電吸力促進微生物固定，有利於微生物載體表面固定化，總體改善玄武巖纖維載體表面微生物附著性，載體生物膜量提高30%以上，將有更高生物量的微生物參與實際水質淨化中，提高其應用於生物膜法水質淨化效率。
具體實施例方式根據下述實施例，可以更好的理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。(I)刻蝕首先將需要表面改性處理的玄武巖纖維束置入濃度為I 2mol/L醋酸溶液中處理I 2h。利用醋酸的刻蝕作用，使原來表面較為光滑的纖維巖纖維表面變得粗 糙，增加待附著微生物細菌與纖維載體接觸面積；然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次至衝洗水pH為6. 5 7. 5，待用。首先通過酸刻蝕使得原本較光滑的玄武巖纖維表面變得粗糙，增加了微生物與載體間的有效接觸面積，有利於微生物在其表面附著和固定。(2)高級氧化處理在去離子水中持續通入濃度為8 15mg/L左右的O3氣體3 8min ;然後在去離子水中添加H2O2，去離子水中的H2O2的加入量為2. 4 3. 6ml/L，然後調節H2O2水溶液的pH值為7. 5 8. 5 ;將步驟(I)經過醋酸刻蝕後的纖維束置入H2O2溶液中，反應30 45min ;主要利用高級氧化反應增強纖維表面羥基含氧官能團，使得玄武巖纖維表面潤溼性增加；然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水PH值為6. 5
7.5，待用。高級氧化體系中有較高濃度的羥自由基，其與玄武巖纖維表面的Si結合形成Si-OH基團，顯著增加玄武巖纖維表面含氧官能團，使得玄武巖纖維表面潤溼性增加，有利於親水性細菌易於擴散到載體表面。而載體表面含氧官能團顯著增加時，載體表面呈現較強的負電性，一般水環境下微生物細菌由於胺基酸的電離作用顯負電性，由於同種電荷間的排斥作用，將削弱微生物細菌和載體間固著力。因而需要改變載體表面電性，使其表面具有正電性，將使得微生物細菌因異性電荷相吸附著固定於載體表面，提高吸附生物膜量。(3)表面沉積陽離子將濃度為O. 5 O. 8mol/LFeCl3 溶液用 O. lmol/L NaOH 調至 pH 為 6. 5 7. 5，形成Fe (OH) 3膠體懸浮液；將步驟(2)高級氧化處理後玄武巖纖維束置於Fe (OH) 3膠體懸浮液中30 45min。陽離子Fe3+沉積於纖維載體表面,載體表面電位升高,載體表面帶正電荷，利用靜電吸力促進微生物固定，有利於生物固定過程的進行。然後將玄武巖纖維取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水pH為6. 5 7. 5，再將去離子水衝洗後的玄武巖纖維置於溫度為100 120°C恆溫乾燥箱中烘乾I 2h即可。本發明採用陽離子沉積法，將前面高級氧化處理後的玄武巖纖維置於Fe(0H)3膠體懸浮溶液中，使得Fe3+沉積於玄武巖纖維載體表面，前面高級氧化處理提高了載體表面親水性以及產生的極性官能團為正電荷沉積提供了有利於陽離子沉積的條件，改性後表面有金屬Fe3+離子的存在，載體表面電位升高，載體表面帶正電荷，利用靜電吸力促進微生物固定，有利於生物固定化過程的進行。通過玄武巖纖維載體表面改性，使其具有良好的親水性和微生物負載性能，使之能夠負載更大的生物量，且長時間保持較高的微生物活性，從而實現更有效通過生物膜法去除水體中汙染物，同時也拓展玄武巖纖維應用技術領域。實施例I :(I)水處理試驗用的載體為直徑7 μ m、規格為IK的玄武巖纖維束長度30cm，置入500mL燒杯中處理I. 5h，其中醋酸濃度為2mol/L，體積為300mL。然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝
洗多次，同時測試衝洗水的PH值，待衝洗水pH值為7. 0，停止衝洗，待用。(2)準備03/H202高級氧化裝置，反應器為500mL燒杯，放置300mL去離子水。臭氧發生器產生的O3濃度的為15mg/L左右，O3氣體通過砂芯曝氣頭曝入燒杯中，開始曝入O3，穩定5min後；用鑷子將步驟(I)刻蝕處理過的玄武巖纖維束放入燒杯內，再加入濃度為30%H202溶液2. 4mL,同時用O. ImoI/LNaOH調整pH為8. O,反應30min，關閉臭氧發生器。然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水PH值，待衝洗水pH為7. O左右停止衝洗，待用。(3)將 O. 5mol/LFeCl3 溶液 300mL 放置於 500mL 的燒杯中，用 O. ImoI/LNaOH 調至pH為7. 0，形成Fe (OH) 3膠體懸浮液；用鑷子將步驟(2)高級氧化處理的玄武巖纖維束放置燒杯中，靜置30min，然後用鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水的PH值，待衝洗水pH為7. O停止衝洗，再將其置於溫度為120°C恆溫乾燥箱中烘乾I. 5h備用。用表面改性後的玄武巖纖維作載體進行接種掛膜實驗，用生物膜COD值反映載體上附著生物膜量。用兩個燒杯500mL燒杯,分別放置表面改性的玄武巖纖維束和未改性的玄武巖纖維束，接種二沉池汙泥，曝氣24小時。24小時後取出玄武巖纖維束，先用去離子水衝洗，洗去表面附著的非生物雜質，將洗淨的玄武巖纖維束放入燒杯中，加入適量的去離子水和微型玻璃珠，超聲處理20min，處理完畢後，將液體移入IOOml錐形瓶中，用去離子水定容，獲得IOOml菌液。分別測試定容後菌液COD值。表面改性的玄武巖纖維束和未改性的玄武巖纖維束所附著生物膜COD分別為368mg/L和284mg/L，提高了 30%。實驗表明改性後的玄武巖纖維表面更易於微生物附著，並生長形成高的生物膜量，為利用其提高水處理能力奠定了基礎。實施例2 (I)水處理試驗用的載體是直徑為7 μ m、規格為IK的玄武巖纖維束長度30cm，置入500mL燒杯中處理2. 0h，其中醋酸濃度為lmol/L，體積為300mL ;然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水的PH值，待衝洗水PH值為7. 5，停止衝洗，待用。(2)準備03/H202高級氧化裝置，反應器為500mL燒杯，放置300mL去離子水，臭氧發生器產生的O3氣體濃度為8mg/L左右，O3氣體通過砂芯曝氣頭曝入燒杯中，開始曝入O3穩定4min後，用鑷子將步驟(I)刻蝕處理過的玄武巖纖維束放入燒杯內，再加入濃度為30%的H2O2溶液3. 6mL，同時用O. lmol/L NaOH調整pH為8. 0，反應45min，關閉臭氧發生器。然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水PH值，待衝洗水pH為7. 5停止衝洗，待用。(3)將 O. 6mol/LFeCl3 溶液 300mL 放置於 500mL 的燒杯中，用 O. ImoI/LNaOH 調至pH為7. 5，形成的Fe(OH)3膠體懸浮液，用鑷子將步驟(2)高級氧化處理後的玄武巖纖維束放置在燒杯中，靜置45min，然後用鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水PH值，待衝洗水pH為7. 5停止衝洗，再將其置於溫度為100°C恆溫乾燥箱中烘乾2. Oh備用。用表面改性後的玄武巖纖維作載體進行接種掛膜實驗，用生物膜COD值反映載體上附著生物膜量。用兩個燒杯500mL燒杯,分別放置表面改性的玄武巖纖維束和未改性的玄武巖纖維束，接種二沉池汙泥，曝氣24小時。24小時後取出玄武巖纖維束，先用去離子水衝洗，洗去表面附著的非生物雜質，將洗淨的玄武巖纖維束放入燒杯中，加入適量的去離子水和微型玻璃珠，超聲處理20min，處理完畢後，將液體移入IOOml錐形瓶中，用去離子水定容，獲得IOOml菌液。分別測試定容後菌液COD值。表面改性的玄武巖纖維束和未改性的·玄武巖纖維束所附著生物膜COD分別為395mg/L和276mg/L，提高了 43%。實驗表明改性後的玄武巖纖維表面更易於微生物附著，並生長形成高的生物膜量，為利用其提高水處理能力奠定了基礎。實施例3 (I)水處理試驗用的載體為直徑7 μ m、規格為IK的玄武巖纖維束長度30cm，置入500mL燒杯中處理lh，其中醋酸濃度為I. 5mol/L，體積為300mL。然後用鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水pH值，待衝洗水pH為6. 5，停止衝洗，待用。(2)準備03/H202高級氧化裝置，反應器為500mL燒杯，放置300mL去離子水，臭氧發生器產生的O3氣體濃度為12mg/L左右，O3氣體通過砂芯曝氣頭曝入燒杯中，開始曝入O3,穩定Smin後；用鑷子將步驟(I)刻蝕處理過的玄武巖纖維束放入燒杯內，再加入濃度為30%H202溶液3. OmL,同時用O. lmol/L NaOH調整pH為8. O,反應45min，關閉臭氧發生器。然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水PH值，待衝洗水pH為6. 5停止衝洗，待用。(3)將 O. 6mol/LFeCl3 溶液 300mL 放置於 500mL 的燒杯中，用 O. ImoI/LNaOH 調至pH為6. 5，形成的Fe(OH)3膠體懸浮液，用鑷子將步驟(2)高級氧化處理過的玄武巖纖維束放置燒杯中，靜置40min，然後鑷子將玄武巖纖維束取出，順直放置於平板上，用去離子水沿纖維束方向衝洗多次，同時測試衝洗水PH值，待衝洗水pH為6. 5停止衝洗，再將其置於溫度為110°C恆溫乾燥箱中烘乾I. 5h備用。用表面改性後的玄武巖纖維作載體進行接種掛膜實驗，用生物膜COD值反映載體上附著生物膜量。用兩個燒杯500mL燒杯,分別放置表面改性的玄武巖纖維束和未改性的玄武巖纖維束，接種二沉池汙泥，曝氣24小時。24小時後取出玄武巖纖維束，先用去離子水衝洗，洗去表面附著的非生物雜質，將洗淨的玄武巖纖維束放入燒杯中，加入適量的去離子水和微型玻璃珠，超聲處理20min，處理完畢後，將液體移入IOOml錐形瓶中，用去離子水定容，獲得IOOml菌液。分別測試定容後菌液COD值。表面改性的玄武巖纖維束和未改性的玄武巖纖維束所附著生物膜COD分別為384mg/L和287mg/L，提高了 34%。實驗表明改性後 的玄武巖纖維表面更易於微生物附著，並生長形成高的生物膜量，為利用其提高水處理能力奠定了基礎。
權利要求
1.一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法，其特徵在於它包括如下步驟 (O刻蝕將需要表面改性處理的玄武巖纖維束置入濃度為I. O 2. Omol/L的醋酸溶液中I. O 2. Oh ;然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水的pH值為6.5 7. 5，待用； (2)高級氧化處理在去離子水中持續通入濃度為8 15mg/L的O3氣體；然後在去離子水中加入H2O2,去離子水中的H2O2的加入量為2. 4 3. 6ml/L,然後調節H2O2水溶液的pH值為7. 5 8. 5 ; 將經過步驟(I)刻蝕後的纖維束放置在H2O2水溶液中，反應30 45min ； 然後將玄武巖纖維束取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水PH值為6. 5 7. 5，待用； (3)將濃度為O.5 O. 8mol/LFeCl3溶液用NaOH溶液調至pH為6. 5 7. 5，形成Fe (OH)3膠體懸浮液；將經過步驟(2)高級氧化處理後玄武巖纖維束置於Fe (OH)3膠體懸浮液中靜置 30 45min ； 然後將玄武巖纖維取出用去離子水衝洗多次，至衝洗水pH為6. 5 7. 5，再將去離子水衝洗後的玄武巖纖維置於溫度為100 120°C恆溫乾燥箱中烘乾I 2h即可。
2.根據權利要求I所述的一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法，其特徵在於步驟(2)持續通入O3氣體3 8min。
全文摘要
本發明公開了一種水質淨化用玄武巖纖維載體表面改性的方法，包括如下步驟首先通過酸刻蝕使得原本較光滑的玄武巖纖維表面變得粗糙，有利於微生物在其表面附著和固定；再通過高級氧化反應使玄武巖纖維表面形成Si-OH基團，顯著增加玄武巖纖維表面含氧官能團，從而增強玄武巖纖維表面潤溼性；再採用陽離子沉積法，使得Fe3+沉積於玄武巖纖維載體表面，載體表面電位升高，載體表面帶正電荷，利用靜電吸力促進微生物在纖維表面固定；通過玄武巖纖維載體表面改性，使其具有良好的親水性和微生物負載性能，使之能夠負載更多的生物量，且長時間保持較高的微生物活性，從而實現更有效通過生物膜法去除水體中汙染物。
文檔編號C02F3/10GK102887585SQ201210396160
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者吳智仁, 張波, 蔣素英, 徐崗, 徐暢 申請人:艾特克控股集團有限公司