公布日：2024.03.08
申请日：2023.12.05
分类号：C02F3/34(2023.01)I;C02F3/32(2023.01)I;C02F3/28(2023.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明涉及水、废水、污水或污泥的处理技术领域，具体公开了一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法。该复合碳源是通过将聚乙烯醇与2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸交联，再与处理后的植物材料及改性后的石墨烯复合所制备得到的。与现有技术相比，本发明制备的复合碳源具备碳释放速率稳定，持续释碳性能佳，脱氮性能良好，抗压能力强等优点。
权利要求书
1.一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1将玉米芯、芦苇杆切段后洗净，烘干至恒重，然后加入到2wt％的氢氧化钠水溶液中浸泡，水洗至pH呈中性后烘干至恒重得到处理后的植物材料；S2将石墨粉、五氧化二磷和过硫酸钾加入到98wt％浓硫酸中，分散均匀后升温至70～90℃下搅拌4～8h，冷却至室温加水稀释，过滤，残余物水洗后干燥，再分散于98wt％浓硫酸中，加入高锰酸钾，升温至30～45℃下搅拌2～4h，加水稀释后再加入30wt％双氧水，静置后过滤，残余物水洗后烘干得到改性石墨烯；S3将聚乙烯醇加入到水中，升温至80～95℃搅拌2～3h直至溶液变透明，再加入2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸，室温下搅拌20～30h，再升温至100～120℃搅拌1～2h得到混合物A；S4将步骤S2中的改性石墨烯分散于水中，得到溶液B；将溶液B加入到步骤S3的混合物A中，搅拌混合均匀后加入步骤S1中处理后的植物材料，混合均匀，倒入模具，冷冻，再在室温下解冻，此为一次循环，多次循环后冷冻成型即得用于污水处理的复合碳源。
2.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述玉米芯和芦苇杆的质量比为1：1。
3.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述玉米芯、芦苇杆混合物与氢氧化钠水溶液的料液比为1:8～10。
4.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中浸泡的时间为6～8h。
5.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中静置的时间为20～30h。
6.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中冷冻的温度为﹣30～﹣20℃。
7.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中冷冻的时间为16～24h。
8.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中解冻的时间为2～4h。
9.如权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，步骤S4中循环的次数为3次。
10.一种用于污水处理的复合碳源，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的方法制备而成。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法。
缓释复合固体碳源是由预处理过的自然植物和人工合成大分子化合物共混后经各种方法制备而来。将自然植物进行不同的预处理后，其物化性质发生了相应的改变，表面形貌变得更加粗糙，更有利于细菌挂膜生长，同时释放出的有机物更多，更加满足微生物脱氮过程所需。缓释复合碳源相较于自然纤维素材料而言，出水中有机质含量较低，持续释碳性能更强，不会对水体造成负面影响，脱氮性能良好；而对于人工合成大分子化合物来说，又具有成本低廉，营养成分较丰富，能满足微生物反硝化阶段的能量需求等特点。本发明中通过对玉米芯、芦苇杆进行处理能够分解植物材料内部的木质素、纤维素等以形成孔洞，从而有利于后续细菌在内部生长繁殖，处理后的植物材料也更容易发生水解，从而被微生物吸收利用。将聚乙烯醇与2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸交联，再与处理后的植物材料及改性后的石墨烯复合得到复合碳源，其中处理后的植物材料作为供碳体，交联、复合改性的聚乙烯醇作为骨架材料，同时也可释碳，进而为反硝化阶段补充碳源。石墨烯经过氧化改性后提高了亲水性，还能够提升聚乙烯醇分子链之间的交联程度，并且改性后表面丰富的亲水基团能够增大微生物固定的效率，而通过2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸与聚乙烯醇进行交联后可通过π-π相互作用与改性石墨烯发生吸附，从而提升改性石墨烯在骨架材料中的相容性。由于骨架材料中引入了高强度的改性石墨烯，因而抗压能力增强，所制备的复合碳源能够适应更为复杂的水力条件。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
S1将玉米芯、芦苇杆共20～50重量份切段后洗净、烘干至恒重，然后加入2wt％的氢氧化钠水溶液浸泡6～8h，水洗至pH呈中性后烘干至恒重得到处理后的植物材料；
S2将10～20重量份石墨粉、10～15重量份五氧化二磷和10～15重量份过硫酸钾加入到100～250重量份的98wt％浓硫酸中，分散均匀后升温至70～90℃下搅拌4～8h，冷却至室温加水稀释，过滤，残余物水洗后干燥，再分散于400～800重量份的98wt％浓硫酸中，加入30～50质量份高锰酸钾，升温至30～45℃下搅拌2～4h，加水稀释后再加入50～100重量份30wt％双氧水，静置20～30h后过滤，残余物水洗后烘干得到改性石墨烯；
S3将5～15重量份聚乙烯醇加入到80～95重量份的水中，升温至80～95℃搅拌3h直至溶液变透明，再加入2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸1～2.5重量份，室温下搅拌20～30h，再升温至100～120℃搅拌1～2h得到混合物A；
S4将1～2重量份步骤S2中的改性石墨烯分散于10～20重量份的水中，得到溶液B；将溶液B加入到步骤S3的混合物A中，搅拌混合均匀后加入步骤S1中处理后的植物材料15～25重量份，混合均匀，倒入模具，在﹣30～﹣20℃冷冻16～24h，再在室温下解冻2～4h，此为一次循环，循环3次后在﹣30～﹣20℃冷冻16～24h冷冻成型即得用于污水处理的复合碳源。
进一步的，所述玉米芯和芦苇杆的质量比为1：1。
进一步的，所述玉米芯、芦苇杆混合物与氢氧化钠水溶液的料液比为1:8～10。
本发明还提供了一种用于污水处理的复合碳源，由上述方法制备而成。
本发明的有益效果：
1、与现有技术相比，本发明所制备的复合碳源碳释放速率稳定，持续释碳性能更强，不会对水体造成负面影响，且脱氮性能良好、抗压能力强。
2、本发明通过将聚乙烯醇与2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸交联，再与处理后的植物材料及改性后的石墨烯复合得到复合碳源，石墨烯经过氧化改性后提高了亲水性，能够提升聚乙烯醇分子链之间的交联程度，改性后表面丰富的亲水基团能够增大微生物固定的效率，而通过2-(1-苯基-2-磺丙基)戊二酸与聚乙烯醇进行交联后可通过π-π相互作用与改性石墨烯发生吸附，从而提升改性石墨烯在骨架材料中的相容性。由于骨架材料中引入了高强度的改性石墨烯，因而抗压能力增强，所制备的复合碳源能够适应更为复杂的水力条件。
（发明人：苏林东;齐泽宁;高晓军;李强;苏璐）