CN102887585B - 一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法，包括如下步骤：首先通过酸刻蚀使得原本较光滑的玄武岩纤维表面变得粗糙，有利于微生物在其表面附着和固定；再通过高级氧化反应使玄武岩纤维表面形成Si-OH基团，显著增加玄武岩纤维表面含氧官能团，从而增强玄武岩纤维表面润湿性；再采用阳离子沉积法，使得Fe3+沉积于玄武岩纤维载体表面，载体表面电位升高，载体表面带正电荷，利用静电吸力促进微生物在纤维表面固定；通过玄武岩纤维载体表面改性，使其具有良好的亲水性和微生物负载性能，使之能够负载更多的生物量，且长时间保持较高的微生物活性，从而实现更有效通过生物膜法去除水体中污染物。
Description
技术领域
本发明涉及一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法。
背景技术
目前纤维材料应用于水处理载体方面较为成熟的是碳纤维材料。通过碳素纤维具有的高度生物亲和性，形成活性生物膜，利用微生物的功能，分解污染物质。碳纤维是一种理想的生物载体，使用效果好，已经受到国内外广泛关注，并有较多成功的工程应用案例。但是，碳纤维虽然性能好，但是价格高，性价比较低，不能得到市场广泛接受。
本发明所采用的玄武岩纤维（BFs）是一种绿色环保高性能无机硅酸盐纤维，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武岩石料的成分非常复杂，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、二氧化钛等多种氧化物组成。玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料。
玄武岩纤维作为水质净化用载体材料目前还是空白领域，玄武岩纤维已经具备了作为水质净化用载体的一般性能，但是为了更好提高其表面微生物附着性，需要对其表面进行改性处理。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法，提高其表面微生物附着性。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法，它包括如下步骤：
（1）刻蚀：将需要表面改性处理的玄武岩纤维束置入浓度为1.0～2.0mol/L的醋酸溶液中1.0～2.0h；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水的pH值为6.5～7.5，待用；（2）高级氧化处理：在去离子水中持续通入浓度为8～15mg/L的O3气体；然后在去离子水中加入H2O2，去离子水中的H2O2的加入量为2.4～3.6ml/L，然后调节H2O2水溶液的pH值为7.5～8.5；将经过步骤（1）刻蚀后的玄武岩纤维束放置在H2O2水溶液中，反应30～45min；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH值为6.5～7.5，待用；（3）将浓度为0.5～0.8mol/LFeCl3溶液用NaOH溶液调至pH为6.5～7.5，形成Fe(OH)3胶体悬浮液；将经过步骤（2）高级氧化处理后玄武岩纤维束置于Fe(OH)3胶体悬浮液中静置30～45min；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH为6.5～7.5，再将去离子水冲洗后的玄武岩纤维束置于温度为100～120℃恒温干燥箱中烘干1～2h即可。
其中，步骤（2）持续通入O3气体3～8min。
有益效果：本发明采用酸刻蚀、高级氧化和阳离子沉积的方法对玄武岩纤维载体表面进行处理，可以有效地提高其表面粗糙度，增加了微生物与载体间的有效接触面积，有利于微生物在其表面附着和固定；可以显著增加玄武岩纤维表面含氧官能团，使得玄武岩纤维表面润湿性增加，有利于亲水性细菌易于扩散到载体表面，增加附着几率；可以提升载体表面电位并带正电荷，利用静电吸力促进微生物固定，有利于微生物载体表面固定化，总体改善玄武岩纤维载体表面微生物附着性，载体生物膜量提高30%以上，将有更高生物量的微生物参与实际水质净化中，提高其应用于生物膜法水质净化效率。
具体实施方式：
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
（1）刻蚀：首先将需要表面改性处理的玄武岩纤维束置入浓度为1～2mol/L醋酸溶液中处理1～2h。利用醋酸的刻蚀作用，使原来表面较为光滑的玄武岩纤维表面变得粗糙，增加待附着微生物细菌与纤维载体接触面积；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次至冲洗水pH为6.5～7.5，待用。
首先通过酸刻蚀使得原本较光滑的玄武岩纤维表面变得粗糙，增加了微生物与载体间的有效接触面积，有利于微生物在其表面附着和固定。
（2）高级氧化处理：在去离子水中持续通入浓度为8～15mg/L左右的O3气体3～8min；然后在去离子水中添加H2O2，去离子水中的H2O2的加入量为2.4～3.6ml/L，然后调节H2O2水溶液的pH值为7.5～8.5；将步骤（1）经过醋酸刻蚀后的玄武岩纤维束置入H2O2溶液中，反应30～45min；主要利用高级氧化反应增强纤维表面羟基含氧官能团，使得玄武岩纤维表面润湿性增加；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH值为6.5～7.5，待用。
高级氧化体系中有较高浓度的羟自由基，其与玄武岩纤维表面的Si结合形成Si-OH基团，显著增加玄武岩纤维表面含氧官能团，使得玄武岩纤维表面润湿性增加，有利于亲水性细菌易于扩散到载体表面。
而载体表面含氧官能团显著增加时，载体表面呈现较强的负电性，一般水环境下微生物细菌由于氨基酸的电离作用显负电性，由于同种电荷间的排斥作用，将削弱微生物细菌和载体间固着力。因而需要改变载体表面电性，使其表面具有正电性，将使得微生物细菌因异性电荷相吸附着固定于载体表面，提高吸附生物膜量。
（3）表面沉积阳离子：
将浓度为0.5～0.8mol/LFeCl3溶液用0.1mol/L NaOH调至pH为6.5～7.5，形成Fe(OH)3胶体悬浮液；将步骤（2）高级氧化处理后玄武岩纤维束置于Fe(OH)3胶体悬浮液中30～45min。阳离子Fe3+沉积于纤维载体表面，载体表面电位升高，载体表面带正电荷，利用静电吸力促进微生物固定，有利于生物固定过程的进行。
然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH为6.5～7.5，再将去离子水冲洗后的玄武岩纤维束置于温度为100～120℃恒温干燥箱中烘干1～2h即可。
本发明采用阳离子沉积法，将前面高级氧化处理后的玄武岩纤维置于Fe(OH)3胶体悬浮溶液中，使得Fe3+沉积于玄武岩纤维载体表面，前面高级氧化处理提高了载体表面亲水性以及产生的极性官能团为正电荷沉积提供了有利于阳离子沉积的条件，改性后表面有金属Fe3+离子的存在，载体表面电位升高，载体表面带正电荷，利用静电吸力促进微生物固定，有利于生物固定化过程的进行。通过玄武岩纤维载体表面改性，使其具有良好的亲水性和微生物负载性能，使之能够负载更大的生物量，且长时间保持较高的微生物活性，从而实现更有效通过生物膜法去除水体中污染物，同时也拓展玄武岩纤维应用技术领域。
实施例1：
（1）水处理试验用的载体为直径7μm、规格为1K的玄武岩纤维束长度30cm，置入500mL烧杯中处理1.5h，其中醋酸浓度为2mol/L，体积为300mL。
然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水的pH值，待冲洗水pH值为7.0，停止冲洗，待用。
（2）准备O3/H2O2高级氧化装置，反应器为500mL烧杯，放置300mL去离子水。臭氧发生器产生的O3浓度的为15mg/L左右，O3气体通过砂芯曝气头曝入烧杯中，开始曝入O3，稳定5min后；用镊子将步骤（1）刻蚀处理过的玄武岩纤维束放入烧杯内，再加入浓度为30%H2O2溶液2.4mL，同时用0.1mol/LNaOH调整pH为8.0，反应30min，关闭臭氧发生器。
然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为7.0左右停止冲洗，待用。
（3）将0.5mol/LFeCl3溶液300mL放置于500mL的烧杯中，用0.1mol/LNaOH调至pH为7.0，形成Fe(OH)3胶体悬浮液；用镊子将步骤（2）高级氧化处理的玄武岩纤维束放置烧杯中，静置30min，然后用镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水的pH值，待冲洗水pH为7.0停止冲洗，再将其置于温度为120℃恒温干燥箱中烘干1.5h备用。
用表面改性后的玄武岩纤维作载体进行接种挂膜实验，用生物膜COD值反映载体上附着生物膜量。用两个烧杯500mL烧杯，分别放置表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束，接种二沉池污泥，曝气24小时。24小时后取出玄武岩纤维束，先用去离子水冲洗，洗去表面附着的非生物杂质，将洗净的玄武岩纤维束放入烧杯中，加入适量的去离子水和微型玻璃珠，超声处理20min，处理完毕后，将液体移入100ml锥形瓶中，用去离子水定容，获得100ml菌液。分别测试定容后菌液COD值。表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束所附着生物膜COD分别为368mg/L和284mg/L，提高了30%。实验表明改性后的玄武岩纤维表面更易于微生物附着，并生长形成高的生物膜量，为利用其提高水处理能力奠定了基础。
实施例2：
（1）水处理试验用的载体是直径为7μm、规格为1K的玄武岩纤维束长度30cm，置入500mL烧杯中处理2.0h，其中醋酸浓度为1mol/L，体积为300mL；然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水的pH值，待冲洗水pH值为7.5，停止冲洗，待用。
（2）准备O3/H2O2高级氧化装置，反应器为500mL烧杯，放置300mL去离子水，臭氧发生器产生的O3气体浓度为8mg/L左右，O3气体通过砂芯曝气头曝入烧杯中，开始曝入O3稳定4min后，用镊子将步骤（1）刻蚀处理过的玄武岩纤维束放入烧杯内，再加入浓度为30%的H2O2溶液3.6mL，同时用0.1mol/L NaOH调整pH为8.0，反应45min，关闭臭氧发生器。
然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为7.5停止冲洗，待用。
（3）将0.6mol/LFeCl3溶液300mL放置于500mL的烧杯中，用0.1mol/LNaOH调至pH为7.5，形成的Fe(OH)3胶体悬浮液，用镊子将步骤（2）高级氧化处理后的玄武岩纤维束放置在烧杯中，静置45min，然后用镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为7.5停止冲洗，再将其置于温度为100℃恒温干燥箱中烘干2.0h备用。
用表面改性后的玄武岩纤维作载体进行接种挂膜实验，用生物膜COD值反映载体上附着生物膜量。用两个烧杯500mL烧杯，分别放置表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束，接种二沉池污泥，曝气24小时。24小时后取出玄武岩纤维束，先用去离子水冲洗，洗去表面附着的非生物杂质，将洗净的玄武岩纤维束放入烧杯中，加入适量的去离子水和微型玻璃珠，超声处理20min，处理完毕后，将液体移入100ml锥形瓶中，用去离子水定容，获得100ml菌液。分别测试定容后菌液COD值。表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束所附着生物膜COD分别为395mg/L和276mg/L，提高了43%。实验表明改性后的玄武岩纤维表面更易于微生物附着，并生长形成高的生物膜量，为利用其提高水处理能力奠定了基础。
实施例3：
（1）水处理试验用的载体为直径7μm、规格为1K的玄武岩纤维束长度30cm，置入500mL烧杯中处理1h，其中醋酸浓度为1.5mol/L，体积为300mL。
然后用镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为6.5，停止冲洗，待用。
（2）准备O3/H2O2高级氧化装置，反应器为500mL烧杯，放置300mL去离子水，臭氧发生器产生的O3气体浓度为12mg/L左右，O3气体通过砂芯曝气头曝入烧杯中，开始曝入O3，稳定8min后；用镊子将步骤（1）刻蚀处理过的玄武岩纤维束放入烧杯内，再加入浓度为30%H2O2溶液3.0mL，同时用0.1mol/L NaOH调整pH为8.0，反应45min，关闭臭氧发生器。
然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为6.5停止冲洗，待用。
（3）将0.6mol/LFeCl3溶液300mL放置于500mL的烧杯中，用0.1mol/LNaOH调至pH为6.5，形成的Fe(OH)3胶体悬浮液，用镊子将步骤（2）高级氧化处理过的玄武岩纤维束放置烧杯中，静置40min，然后镊子将玄武岩纤维束取出，顺直放置于平板上，用去离子水沿纤维束方向冲洗多次，同时测试冲洗水pH值，待冲洗水pH为6.5停止冲洗，再将其置于温度为110℃恒温干燥箱中烘干1.5h备用。
用表面改性后的玄武岩纤维作载体进行接种挂膜实验，用生物膜COD值反映载体上附着生物膜量。用两个烧杯500mL烧杯，分别放置表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束，接种二沉池污泥，曝气24小时。24小时后取出玄武岩纤维束，先用去离子水冲洗，洗去表面附着的非生物杂质，将洗净的玄武岩纤维束放入烧杯中，加入适量的去离子水和微型玻璃珠，超声处理20min，处理完毕后，将液体移入100ml锥形瓶中，用去离子水定容，获得100ml菌液。分别测试定容后菌液COD值。表面改性的玄武岩纤维束和未改性的玄武岩纤维束所附着生物膜COD分别为384mg/L和287mg/L，提高了34%。实验表明改性后的玄武岩纤维表面更易于微生物附着，并生长形成高的生物膜量，为利用其提高水处理能力奠定了基础。
Claims (2)
1.一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法，其特征在于它包括如下步骤：
（1）刻蚀：将需要表面改性处理的玄武岩纤维束置入浓度为1.0～2.0mol/L的醋酸溶液中1.0～2.0h；然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水的pH值为6.5～7.5，待用；
（2）高级氧化处理：在去离子水中持续通入浓度为8～15mg/L的O3气体；然后在去离子水中加入H2O2，去离子水中的H2O2的加入量为2.4～3.6ml/L，然后调节H2O2水溶液的pH值为7.5～8.5；
将经过步骤（1）刻蚀后的玄武岩纤维束放置在H2O2水溶液中，反应30～45min；
然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH值为6.5～7.5，待用；
（3）将浓度为0.5～0.8mol/LFeCl3溶液用NaOH溶液调至pH为6.5～7.5，形成Fe(OH)3胶体悬浮液；将经过步骤（2）高级氧化处理后玄武岩纤维束置于Fe(OH)3胶体悬浮液中静置30～45min；
然后将玄武岩纤维束取出用去离子水冲洗多次，至冲洗水pH为6.5～7.5，再将去离子水冲洗后的玄武岩纤维束置于温度为100～120℃恒温干燥箱中烘干1～2h即可。
2.根据权利要求1所述的一种水质净化用玄武岩纤维载体表面改性的方法，其特征在于：步骤（2）持续通入O3气体3～8min。
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