公布日：2023.09.26
申请日：2023.07.04
分类号：B01J20/24(2006.01)I;B01J20/26(2006.01)I;B01J20/02(2006.01)I;B01J20/12(2006.01)I;B01J20/28(2006.01)I;B01J20/30(2006.01)I;C02F1/28(2023.01)I
摘要
本发明公开了一种新型复合式高效生态填料以及制备方法，包括改性立体晶格外壳和改性吸附剂；所述改性立体晶格外壳包括以下质量份的材料：壳聚糖6-12份、天然木质纤维10-20份、聚乙烯68-84份；所述改性吸附剂包括氢氧化钾溶液和以下质量份的材料：粉煤灰1-4份、牡蛎壳1-3份、市政污泥1-4份、膨润土1-3份、稻壳1-3份、壳聚糖纤维1-2份。本发明改性吸附剂嵌入改性立体晶格外壳内形成内外复合式的生态填料，其中改性吸附剂与改性立体晶格外壳分别含有大量孔隙，填料不易堵塞，且二者共同与水中微生物接触并形成具有良好吸附性以及分解效果的生物膜，能够快速将污水中的污染物吸附并分解，且自然恢复能力好。
权利要求书
1.一种新型复合式高效生态填料，其特征在于：包括改性立体晶格外壳(1)和改性吸附剂(2)，将改性吸附剂(2)嵌入改性立体晶格外壳(1)中；所述改性立体晶格外壳(1)包括以下质量份的材料：壳聚糖6-12份、天然木质纤维10-20份、聚乙烯68-84份；所述改性吸附剂(2)包括氢氧化钾溶液和以下质量份的材料：粉煤灰1-4份、牡蛎壳1-3份、市政污泥1-4份、膨润土1-3份、稻壳1-3份、壳聚糖纤维1-2份。
2.如权利要求1所述的一种新型复合式高效生态填料，其特征在于：所述氢氧化钾溶液为10％-30％重量比，浓度1-4mol/L。
3.如权利要求1所述的一种新型复合式高效生态填料，其特征在于：所述壳聚糖为工业级壳聚糖，脱乙酰度≥85％，粒度≥80目；所述天然木质纤维素为椰丝；所述聚乙烯为低密度聚乙烯；所述牡蛎壳为颗粒状，粒度≥5目。
4.如权利要求1所述的一种新型复合式高效生态填料，其特征在于：所述市政污泥为某市政污水厂脱水剩余污泥，含水率≤60％，市政污泥在进行使用前需要使用微波或者紫外线进行灭菌处理。
5.如权利要求1-4任一所述一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备改性立体晶格外壳(1)，先将壳聚糖、天然木纤维和聚乙烯均匀混合在一起，形成混合原料；将混合原料通过热熔挤塑机一次挤塑形成圆柱形的中空网状体；形成的中空网状体使用氢氧化钠溶液浸泡10-60分钟进行碱预处理；碱预处理后的中空网状体用自来水清洗后放入有机酸中浸泡10-60分钟，使中空网状体中的壳聚糖发生降解改性，产生低聚水溶性壳聚糖，成品即为改性立体晶格外壳(1)；S2：制备改性吸附剂(2)，先将粉煤灰、牡蛎壳、市政污泥、膨润土、稻壳、壳聚糖纤维均匀混合，之后加入氢氧化钾溶液进行混合，之后将混合好的原材料加工形成若干个圆柱形的填料颗粒，最后将填料颗粒放入烧结炉中，采用150-300℃无氧条件烧结活化后形成改性吸附剂(2)；S3：组装，将改性吸附剂(2)嵌入改性立体晶格外壳(1)中，形成成品生态填料。
6.如权利要求5所述的一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：所述S1的中空网状体直径为60-100mm，网丝直径为3-6mm。
7.如权利要求5所述的一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：所述S1中碱预处理的浸泡温度为恒温60-80℃，氢氧化钠溶液浓度为5％-15％。
8.如权利要求5所述的一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：所述S1中有机酸为醋酸，中空网状体中壳聚糖和醋酸发生反应，反应化学式为：(C8H13NO5)n+n(CH3COOH)→n(CH3COO-C8H13NO5+nH2O)。
9.如权利要求5所述的一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：所述烧结活化时间为10-90分钟，最终形成比表面积可达100-300m2/g，并具有蜂窝多孔结构的改性吸附剂(2)。
10.如权利要求5所述的一种新型复合式高效生态填料的制备方法，其特征在于：所述S1和S2制备顺序可任意交换或者并列进行。
发明内容
针对上述传统污水地下渗滤系统填料存在着吸附效率低、透气能力差、自然恢复能力低、易堵塞的不足，本发明提供了一种吸附高效、透气性和自然恢复能力好、不易堵塞的新型复合式高效生态填料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型复合式高效生态填料，包括改性立体晶格外壳和改性吸附剂，将改性吸附剂嵌入立体晶格外壳中；所述改性立体晶格外壳包括以下质量份的材料：壳聚糖6-12份、天然木质纤维10-20份、聚乙烯68-84份；所述改性吸附剂包括氢氧化钾溶液和以下质量份的材料：粉煤灰1-4份、牡蛎壳1-3份、市政污泥1-4份、膨润土1-3份、稻壳1-3份、壳聚糖纤维1-2份。
其中氢氧化钾溶液作为活化剂，可以与稻壳、壳聚糖纤维中高分子纤维发生水解和氧化反应，使高分子纤维化合物逐渐解聚，扩大吸附剂内部的孔隙，使得填料不易堵塞，同时便于生物膜的形成，增加填料比表面积及吸附能力；同时降低活化反应温度，减少能耗。
进一步的，所述氢氧化钾溶液为10％-30％重量比，浓度1-4mol/L。
进一步的，所述壳聚糖为工业级壳聚糖，脱乙酰度≥85％，粒度≥80目；所述天然木质纤维素为椰丝；所述聚乙烯为低密度聚乙烯。
进一步的，所述市政污泥为某市政污水厂脱水剩余污泥，含水率≤60％，市政污泥在进行使用前需要使用微波或者紫外线进行灭菌处理。
一种新型复合式高效生态填料的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备改性立体晶格外壳，先将壳聚糖、天然木纤维和聚乙烯均匀混合在一起，形成混合原料；将混合原料通过热熔挤塑机一次挤塑形成圆柱形的中空网状体；形成的中空网状体使用氢氧化钠溶液浸泡10-60分钟进行碱预处理；碱预处理后的中空网状体用自来水清洗后放入有机酸中浸泡10-60分钟，使中空网状体中的壳聚糖发生降解改性，产生低聚水溶性壳聚糖，成品即为改性立体晶格外壳；
S2：制备改性吸附剂，先将粉煤灰、牡蛎壳、市政污泥、膨润土、稻壳、壳聚糖纤维均匀混合，之后加入氢氧化钾溶液进行混合，之后将混合好的原材料加工形成若干个圆柱形的填料颗粒，最后将填料颗粒放入烧结炉中，采用150-300℃无氧条件烧结活化后形成改性吸附剂；
S3：组装，将改性吸附剂嵌入改性立体晶格中，形成成品生态填料。
进一步的，所述S1的中空网状体直径为60-100mm，网丝直径为3-6mm。
进一步的，所述S1中碱预处理的浸泡温度为恒温60-80℃，氢氧化钠溶液浓度为5％-15％。中空网状体在碱中进行预处理能够降低填料中木质纤维素晶度，增加中空网状体表面积及吸水性，在60-80℃的温度范围以及5％-15％浓度下，木质纤维素晶度降低速率快且更加均匀。
进一步的，所述S1中有机酸为醋酸，中空网状体中壳聚糖和醋酸发生反应，反应化学式为：(C8H13NO5)n+n(CH3COOH)→n(CH3COO-C8H13NO5+nH2O)。醋酸与填料中壳聚糖成分反应后改性，填料中的壳聚糖改性后发生降解，产生低聚水溶性壳聚糖，提高了填料亲水性及表面积，增强填料吸附性生物相容性。
进一步的，所述烧结活化时间为10-90分钟，最终形成比表面积可达100-300m2/g，并具有蜂窝多孔结构的改性吸附剂。
进一步的，所述S1和S2制备顺序可任意交换或者并列进行。
相对于现有技术，本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明改性吸附剂嵌入改性立体晶格外壳内形成内外复合式的生态填料，能够共同与水中微生物接触并形成具有良好吸附性以及分解效果的生物膜，能够快速将污水中的污染物吸附并分解，填料不易堵塞，且自然恢复能力好；改性立体晶格外壳的壳聚糖经改性后形成具有大量孔隙，能够快速与水体微生物形成分解污染物的生物膜，提高了填料吸附以及分解污染物的能力；而改性吸附剂氢氧化钾溶液，增加混合材料之间粘度的同时方便改性吸附剂加工成型。
2.本发明若干个生态填料的改性立体晶格外壳在受到水流流动时极易出现晃动，使改性晶格与嵌入吸附剂共同生成的生物膜出现震动，加快分解污染物的同时将滞留在生态填料孔隙的残留物震荡出来，完成填料的自我恢复；改性吸附剂中氢氧化钾溶液可以与稻壳、壳聚糖纤维中高分子纤维发生水解和氧化反应，使高分子纤维化合物逐渐解聚，以此扩大改性吸附剂内部的孔隙，使其不易堵塞，并且形成的生物膜吸附以及分解污染物的能力好，处理污染物高效。
（发明人：孙全民;胡湛波;陈义会;陈涛;唐碧超;付航;谢锦邦;覃丽君;胡浩波）