一種微生物載體玄武巖纖維材料及其製備方法與流程
2023-10-27 22:43:22 1
本發明涉及微生物纖維載體材料領域，具體涉及一種微生物載體玄武巖纖維材料及其製備方法。
背景技術：
：玄武巖纖維是一種新出現的新型無機環保綠色高性能纖維材料，是未來我國重點發展的四大高性能纖維之一，它是由二氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成的玄武巖石料在高溫熔融後，通過紡絲工藝製備而成的。玄武巖連續纖維不僅穩定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優異性能，而且，玄武巖纖維的生產工藝產生的廢棄物少，對環境汙染小，產品廢棄後可直接轉入生態環境中，無任何危害，因而是一種名副其實的綠色、環保材料。玄武巖連續纖維已在纖維增強複合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業、高溫過濾織物以及防護領域等多個方面得到了廣泛的應用。玄武巖纖維具有的優異耐水性、耐腐蝕性、生物親和性、綠色無汙染特點符合水質淨化領域對載體材料性能的要求，因而玄武巖纖維作為微生物載體材料未來在水體淨化領域具有廣闊的應用前景；現今，玄武巖纖維作為水質淨化的載體材料在治理水體汙染領域已進行了大量的應用實驗，也取得了良好的應用效果，對水體的淨化具有促進作用，但由於玄武巖纖維表面光滑、表面能高，活性位點少，從而造成與微生物的機械聯鎖和化學鍵合能力差，微生物難以附著，因此，直接採用玄武巖纖維作為微生物水體淨化材料載體具有微生物負載量小、附著力弱、淨化效率低的缺點，不利於玄武巖纖維在水體淨化領域的大規模應用。技術實現要素：本發明的目的在於克服由於玄武巖纖維表面能高、與微生物的化學鍵合能力差造成的直接採用玄武巖纖維作為微生物水體淨化材料載體具有微生物負載量小，附著力弱的缺點，提供一種微生物載體玄武巖纖維材料及其製備方法；本發明利用高能射線和改性劑對玄武巖纖維表面進行處理，破壞玄武巖纖維表面化學鍵，形成表面缺陷，增加活性位點，降低表面能，從而使玄武巖纖維表面與微生物的鍵合能力增強，增加微生物的負載量，進而提高微生物負載淨化材料的淨化效率。為了實現上述發明目的，本發明提供了一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，包括以下步驟：（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液進行拉絲，得到玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在改性劑中用高能射線進行表面處理；（5）將步驟4得到的經過高能射線處理的原絲進行退解、並捻，得到微生物載體玄武巖纖維材料。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，步驟4中所述改性劑為乙醇溶液、乙酸溶液、甲酸溶液、檸檬酸、酒石酸溶液中的一種或多種。一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，本發明利用高能射線引發玄武巖纖維表面的化學鍵斷裂，既能形成新的活性位點，從而增加了能與微生物鍵合的位點數量，增加微生物負載量，還能降低玄武巖纖維表面能，使微生物與玄武巖的鍵合力更大，從而減少微生物的脫落；並且，在高能射線的作用下，改性劑中的親水基團能接枝在玄武巖纖維表面，從而玄武巖纖維的生物親和性更好，微生物更容易繁殖和擴散；本發明方法能顯著增加玄武巖纖維材料的微生物負載量，降低微生物脫落量，促進微生物在玄武巖纖維載體材料上的生長繁殖，從而提高了微生物負載淨化材料的水體淨化效率，本發明方法簡單、可靠，適合微生物載體玄武巖纖維材料的大規模、工業化生產。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟1中所述的玄武巖礦石粉體粒徑為0.1-2mm，粒徑越小，加熱熔融時速度越快，耗能越低，但粉碎成本增加優選的，所述玄武巖礦石粉體粒徑為0.5-1mm。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟2中所述的熔融溫度為1100-1500℃，溫度過低，熔融速度慢，耗時長，耗能高，溫度過高，對設備要求高，設備成本增加；優選的，所述熔融溫度為1250-1350℃。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟3中所述的拉絲的速度為1500-3000m/min，拉絲速度過快，拉伸張力過大，會造成纖維斷裂；拉絲速度過慢，得到的玄武巖纖維直徑較大，不利於玄武巖纖維的應用。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟3中所述的玄武巖纖維原絲直徑控制在1-20μm，原絲直徑過大，冷卻慢，造成纖維內外應力分布不僅，纖維缺陷大，不利於實際應用，原絲直徑過小，拉絲工藝操作困難，容易斷裂；優選的，所述的玄武巖纖維原絲直徑控制在5-10μm。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟4中所述的表面處理時溫度控制在50-100℃，溫度越高，反應速度越快，處理效果越好，但溫度過高，表面處理程度控制困難，產品質量不穩定；優選的，所述的表面處理溫度控制在60-80℃。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟4中所述的高能射線為紫外線、電子束、X射線中的一種，能引發玄武巖纖維表面的化學鍵斷裂，能形成新的活性位點。上述一種微生物載體玄武巖纖維材料的製備方法，其中步驟4中所述的表面處理過程中，玄武巖纖維原絲接受的高能射線當量劑量為0.01Sv-50Sv，接受的當量劑量越大，對玄武巖纖維原絲表面的處理程度越大，活性位點越多，但玄武巖纖維物化性能降低，使用壽命大大縮短；優選的，玄武巖纖維原絲接受的高能射線當量劑量為0.1Sv-10Sv。為了實現上述發明目的，進一步的，本發明提供了一種微生物載體玄武巖纖維材料，所述微生物載體玄武巖纖維材料是通過上述製備方法製備得到的；通過上述製備方法製備的得到的微生物載體玄武巖纖維材料，具有微生物負載量大，不易脫落，微生物生長繁殖速度快的特點，能提高微生物負載淨化材料對水體的淨化效率，有利於微生物載體玄武巖纖維材料在水體淨化領域的大規模利用。與現有技術相比，本發明的有益效果：1、本發明方法利用高能射線引發玄武巖纖維表面的化學鍵斷裂，形成了新的活性位點，從而增加了能與微生物鍵合的位點數量，增加微生物負載量。2、本發明方法利用高能射線引發玄武巖纖維表面的化學鍵斷裂，降低玄武巖纖維表面能，使微生物與玄武巖的鍵合力更大，從而減少微生物的脫落。3、本發明方法使改性劑中的親水基團能接枝在玄武巖纖維表面，從而玄武巖纖維的生物親和性更好，微生物更容易生長繁殖和擴散。4、本發明方法簡單、可靠，適合微生物載體玄武巖纖維材料的大規模、工業化生產。5、本發明微生物載體玄武巖纖維材料，具有微生物負載量大，不易脫落，微生物生長繁殖速度快的特點，能提高微生物負載淨化材料對水體的淨化效率。具體實施方式下面結合試驗例及具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本
發明內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。實施例1（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為0.5mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1250℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在2000m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為5μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在溫度為60℃的乙醇溶液中用紫外線進行表面處理，玄武巖纖維原絲接受的紫外線當量劑量控制在0.1Sv；（5）將步驟4得到的經過紫外線處理的原絲進行退解、並捻，得到微生物載體玄武巖纖維材料。實施例2（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為1.0mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1350℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在2500m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為10μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在溫度為100℃的乙酸溶液中用X射線進行表面處理，玄武巖纖維原絲接受的X射線當量劑量控制在10Sv；（5）將步驟4得到的經過X射線處理的原絲進行退解、並捻，得到微生物載體玄武巖纖維材料。實施例3（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為0.1mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1100℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在3000m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為1μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在溫度為80℃的酒石酸溶液中用紫外線進行表面處理，玄武巖纖維原絲接受的紫外線當量劑量控制在0.01Sv；（5）將步驟4得到的經過紫外線處理的原絲進行退解、並捻，得到微生物載體玄武巖纖維材料。實施例4（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為2mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1500℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在1500m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為20μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在溫度為50℃的檸檬酸溶液中用高能電子束進行表面處理，玄武巖纖維原絲接受的高能電子束當量劑量控制在50Sv；（5）將步驟4得到的經過高能電子束處理的原絲進行退解、並捻，得到微生物載體玄武巖纖維材料。對比例1（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為0.5mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1250℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在2000m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為5μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲用紫外線進行表面處理，玄武巖纖維原絲接受的紫外線當量劑量控制在0.1Sv；（5）將步驟4得到的經過紫外線處理的原絲進行退解、並捻，得到玄武巖纖維材料。對比例2（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為0.5mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1250℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在2000m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為5μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的玄武巖纖維原絲在溫度為60℃的乙醇溶液中進行表面處理；（5）將步驟4得到的經乙醇溶液處理的原絲進行退解、並捻，得到玄武巖纖維材料。對比例3（1）將玄武巖礦石進行粉碎處理，得到粒徑為0.5mm的玄武巖礦石粉體；（2）將步驟1得到粉體加熱，在1250℃溫度下進行熔融，形成紡絲熔液；（3）將步驟2得到的紡絲熔液在2000m/min的速度下進行拉絲，得到直徑為5μm的玄武巖纖維原絲；（4）將步驟3得到的原絲進行退解、並捻，得到玄武巖纖維材料。將上述實施例1-4和對比例1-3中所製備得到的玄武巖纖維材料分別進行枯草芽孢桿菌的負載實驗，負載時間為12h，對負載的玄武巖纖維上的枯草芽孢桿菌數量進行檢測，記錄；將負載好的玄武巖纖維用20kHz的超聲波處理20s後，再次檢測負載的枯草芽孢桿菌數量；記錄數據如下：編號負載12h後細菌數量（×109個/g）超聲波處理後細菌數量（×109個/g）實施例18643實施例28142實施例38540實施例48341對比例16214對比例23621對比例3335由上述實驗數據可知，實施例1-4採用本發明方法製備得到的玄武巖纖維微生物負載量大，其負載量明顯大於對比例；同時，經超聲波處理後，細菌保留率（處理後細菌數量÷處理前細菌數量×100%）分別為50%、52%、47%和49%，而對比例細菌保留率分別為23%、58%和15%；對比例1中沒有採用改性劑對玄武巖纖維原絲進行處理，即雖然同樣增加了纖維表面的活性位點和降低了一定的表面能，但沒有親水基團接枝在纖維表面，細菌的鍵接數量和鍵接力與實施例相比均有所減弱，從而造成對比例1中玄武巖纖維的細菌負載的量降低，保留率顯著降低；對比例2中沒有採用紫外線處理，玄武巖纖維表面活性位點沒有增加，從而造成對比例2中玄武巖纖維的細菌負載的量顯著降低；對比例3中既沒有用改性劑處理，也沒有用紫外線處理，玄武巖纖維表面光滑、活性位點少、表面能高，細菌難以鍵合，從而，對比例3中細菌負載量和保留率均顯著降低。當前第1頁1 2 3