CN112110511A - 纳米晶石 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米晶石，纳米晶石材料结构为在基体内具有由开口气孔和毛细管道所构成多孔材料，相邻的气孔与气孔之间通过一个以上的毛细管道相互连通，气孔在基体内呈现随机分布状态。(1)、纳米晶石材料能有效收集液体，本体体积蓄水率可达50％‑95％；(2)、纳米晶石材料能有效吸附雨水和污水中的多种有害物质，并利用自身毛细管通道缓慢供应给地表植物作为养分吸收消化；(3)、纳米晶石材料使用自然材料，再以生物纤维混合形成的绿色环保材料，材料本身与生产过程都没有污染形成/排放；(4)、本发明的纳米晶石材料物理和化学属性十分稳定，可持续使用50‑80年。

Description

纳米晶石

技术领域

本发明公开一种多孔蓄水净水材料，特别是一种纳米晶石，属于纳米材料 领域。

背景技术

伴随全球城市化发展的进程，越来越多的人口集中在城市中生活工作，水 资源作为人类赖以生存的重要资源，有效收集并净化城市水质成为未来城市化 发展的重要要求。

我国是一个水资源极度紧缺的国家，全国600多个城市中400多个供水不 足，其中110个严重缺水，水资源浪费严重，未能有效的利用水资源，而我国 的雨水资源相对比较丰富，我国大部分城市年降水量都能达到400毫升以上， 南方城市普遍都高于1000以上。同时我国在雨水利用这方面也已经取得了一些 成绩，如北京修建了橡胶坝拦截雨水；西北干旱地区修建水池、水窖拦截、收 集雨水，抗旱效果明显；南京某新建小区对雨水进行收集，经过初期弃流池、 混凝池、沉淀池之后，用于浇灌绿地，喷洒道路等。但是与我国的水资源紧缺 情况相比，雨水资源化的实施力度还很不够，而在对城市雨水集蓄材料的研究 方面则处于起步阶段。

目前我国雨水收集采用的材料非常繁多，从基础材料来看基本有砂石、砾 石、火山石和蓄水模块等，这些材料主要为结构性蓄水，主要利用搭载的结构 进行雨水收集，存在各种问题。

砂石、砾石结构只能解决水的流通问题，蓄水能力非常有限，且无法和地 表植物层进行互动，无法实现真正的利用；

火山石是自然资源，具备蓄水能力，但是效率不一，自身矿物结构复杂， 真正绿色环保的很少，且效率高的价格昂贵，无法大面积使用；

蓄水模块目前有钢筋水泥和塑料模块两种模式，为典型的结构式蓄水，成 本昂贵，施工周期长，而且塑料模块的蓄水材料还会造成环境污染，有地表塌 陷的风险。

以上的各种材料在收集雨水的时候无法做到有效净化，还必须在其他工艺 中进行雨水的处理净化。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的雨水收集材料无法做到雨水净化效果的缺 点，本发明提供一种多孔结构具有蓄水净水功能的纳米晶石，材料本身是由无 数开口气孔和毛细管道所构成多孔材料，能够快速的将液体通过毛细孔吸收到 内部气孔内，对其中的有害物质进行净化，并在条件允许的情况下缓慢排出净 化后的液体。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种纳米晶石，所述的纳米晶 石材料结构为在基体内具有由开口气孔和毛细管道所构成多孔材料，相邻的气 孔与气孔之间通过一个以上的毛细管道相互连通，气孔在基体内呈现随机分布 状态。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的纳米晶石的基础结构和性能如下：

自身孔隙率50-90％；

本体体积蓄水率50％-95％；

本体2-3分钟能够直接吸收本体体积50％-90％的水量；

筒压强度0.4Mpa-2Mpa；

自身比重0.4-1kg/L。

所述的气孔形状包括圆形、无序椭圆形、鹅卵形、葫芦形或扁圆形。

所述的开口气孔内部尺寸在0.1mm-5mm之间。

所述的开口气孔内部尺寸为1mm。

所述的毛细管道呈网状或蜂窝状。

所述的毛细管道的直径为200nm-500um，毛细管道的管壁厚度为 100um-200um。

所述的黏土为地表黏土，采用地表自然风化形成的黏土层，经过清洗和筛 选去除其中砂石后采用纯净的颗粒状SiO2，不同地区由于地质现象的不同，黏 土的的含量和性能会有少量的变化，其中典型为：高岭土；页岩土；中国南方 地区红土；东北地区黑褐色土；西北风化黄土。

所述的黏土也可以使用自然湖泊，河流和水库附近的泥砂，经过清洗、过 滤和筛选等工艺选取其中细腻的黏土，其主要成分为SiO2。

本发明的有益效果是：采用本发明的纳米晶石材料进行雨水收集主要有如 下效果：(1)、采用本发明的纳米晶石材料能快速收集液体(含雨水和城市污水 等可流动的液体)，本体体积蓄水率可在2-3分钟内达50％-95％；(2)、采用本 发明的纳米晶石材料能有效吸附雨水和污水中的多种有害物质(COD、氨氮、 总磷、总氮和盐分)，并利用自身毛细管通道缓慢供应给地表植物作为养分吸收 消化；(3)、本发明的纳米晶石材料可使用的材料主要为黏土或高岭土等自然材 料，再以生物纤维混合形成的绿色环保材料，材料本身与生产过程都没有污染 形成/排放，可用于多个领域；(4)、本发明的纳米晶石材料物理和化学属性十分 稳定，可持续使用50-80年。本发明可作为一种有效的城市雨水和污水的收集并净化的材料，将城市中的雨水和污水进行更有效率再生并利用，解决城市水源 的短缺同时也可以有效防止城市内涝等多种水资源问题。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明内部结构示意图。

图2为本发明以高岭土为黏土材料制备的产品外观照片图。

图3为本发明以高岭土为黏土材料制备的产品整体照片图。

图4为本发明以高岭土为黏土材料制备的产品切面照片图。

图5为本发明以高岭土为黏土材料制备的产品内部照片图。

图6为本发明以页岩土为黏土材料制备的产品外观照片图。

图7为本发明以页岩土为黏土材料制备的产品内部照片图。

图8为本发明以水库淤泥为黏土材料制备的产品外观照片图。

图9为本发明以水库淤泥为黏土材料制备的产品内部照片图。

图10为本发明以南方红土为黏土材料制备的产品外观照片图。

图11为本发明以南方红土为黏土材料制备的产品内部照片图。

图12为本发明在60万倍电镜显微镜下产品照片图。

图中，1-基体，2-气孔，3-孔道。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相 同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明主要提供一种有效的城市雨水和污水的收集并净化的 纳米晶石材料，材料本身结构为在基体1内具有由无数开口气孔2和毛细管道3 所构成多孔材料，本实施例中，纳米晶石的基础结构和性能如下：

自身孔隙率约50-90％；

本体体积快速蓄水率50％-95％，本实施例中，2-3分钟可以直接吸收本体体 积50％-90％的水量，以达到快速蓄水的目的；

筒压强度0.4Mpa-2Mpa；

自身比重0.4-1kg/L。

根据制造材料和工艺的不同，纳米晶石的基础结构和性能略有不同。

本实施例中，纳米晶石由无数开口气孔2和纳米级毛细管道3组成，相邻 的气孔2与气孔2之间通过一个以上的纳米级毛细孔道3相互连通，气孔2在 基1体内呈现随机分布状态，本实施例中，纳米晶石孔隙率根据材料和制作工 艺不同可达到50％～90％。

本实施例中，气孔生成呈现自然形态分布，综合形态类似鹅卵石状态，且 无特定分布规律，气孔以圆形、无序椭圆形为大多数，除此之外还具有其他自 然形状：如鹅卵形、葫芦形、扁圆形等等，以圆形为例，气孔的直径为0.1mm-5mm， 大多数为1mm左右，当气孔为其他形状时，气孔内部尺寸在0.1mm-5mm之间， 气孔之间由多个纳米级管道连续在一起，形成一个相互连通的通透的整体，根 据制作工艺不同毛细管道呈网状或蜂窝状(即多个毛细管道约呈平行状态构成 一簇)分布。毛细管道的直径200nm-500um，毛细管道的管壁厚度为50um-200um。

本发明中，纳米晶石材料通过黏土、生物纤维、水和助剂混合共烧形成， 以黏土为主要成份，ACP(全称为acyl carrier protein，中文名为酰基载体蛋白) 的重量百分比为1％～5％，优选的重量百分比含量为1％，本实施例中，助剂选 用明矾重量百分比为3％～5％，优选的重量百分比含量为3％，其余通过黏土配 足100％，形成混合物料，在混合物料中进行搅拌并混合均匀，不同产地的助剂 比例不一，烘干后通过600℃～1000℃的烧结，在炉内自然冷却形成成品。

本实施例中所选用的黏土主要为地表黏土，采用地表自然风化形成的黏土 层，经过清洗和筛选去除其中砂石后，采用剩余的纯净颗粒状SiO2，不同地区 由于地质现象的不同，黏土的含量和性能会有少量的变化，其中典型地表粘土 为：高岭土、页岩土；中国南方地区的红土；东北地区黑褐色土；西北风化黄 土。本实施例中的黏土也可以使用自然湖泊，河流和水库附近的泥砂，经过清 洗、过滤和筛选等工艺选取其中细腻的黏土，其主要成分为SiO2。

本发明在应用时，将其作为吸水材料铺设在地面土壤下方，当有雨水或污 水时，通过气孔和毛细孔道的虹吸效应，将水连带污染物吸附至基体内，能够 快速的将液体通过毛细孔吸收到内部气孔内，并对其进行储存蓄水，通常，2-3 分钟可以直接吸收本体体积50％-90％的水量，达到快速蓄水的效果，其中的有 害物(或称为污染物)被孔道吸收停留在气孔内，以达到对其中的有害物质进 行净化的目的，在外界环境缺水时，本发明中储蓄的水份会缓慢释放排出，在 干燥的土壤环境中可以缓慢释放其中吸收的水分，该效果可以保持一个较长的 时间内的土壤湿度，缓慢释放出的水分会被种植在地面土壤中的植物吸收，液 体在本发明内部气孔与毛细管流动时，直接过滤并吸附内部有机物(主要为 COD、氨氮、总磷总氮)，污染物在自身相互的作用下逐渐分解为小分子物质缓 慢排出，也可以被种植在地面土壤中的植物吸收，从而达到水净化的目的，同 时，可使本发明的纳米晶石材料达到再生的效果。

通过对比以不同产地黏土制备的产品考察了该工艺的普适性，实验结果表 明不同的产地黏土原料对产品影响不大，而原材料细度影响产品的气孔大小； 附图2～11是不同原料制备的纳米晶石的实体照片。

图2至附图5为本发明以高岭土为黏土制备的产品外观照片图。

图6和附图7为本发明以页岩土为黏土制备的产品外观照片图。

图8和附图9为本发明以水库淤泥为黏土制备的产品外观照片图。

图10和附图11为本发明以南方红土为黏土制备的产品外观照片图。

不同基础材料制备纳米晶石的效果如下表所示：

本发明对20个样品进行抗压强度检测，实验结果表明高岭土制品的抗压强 度达1Mpa，其它黏土制品强度不一略低于1Mpa。

采用本发明的纳米晶石材料进行雨水收集主要有如下效果：

(1)、采用本发明的纳米晶石材料能快速有效收集液体(含雨水和城市污 水等可流动的液体)，本体体积蓄水率可达50％-95％；

(2)、采用本发明的纳米晶石材料能有效吸附雨水和污水中的多种有害物 质(COD、氨氮、总磷、总氮和盐分)，并利用自身毛细管通道缓慢供应给地表 植物作为养分吸收消化；

(3)、本发明的纳米晶石材料可使用的材料主要为黏土或高岭土等自然材 料，再以生物纤维混合形成的绿色环保材料，材料本身与生产过程都没有污染 形成/排放，可用于多个领域；

(4)、本发明的纳米晶石材料物理和化学属性十分稳定，可持续使用50-80 年。

本发明可作为一种有效的城市雨水和污水的收集并净化的基础材料，将城 市中的雨水和污水进行更有效率再生并利用，解决城市水源的短缺同时也可以 有效防止城市内涝等多种水资源问题。在应用研究完成得到纳米晶石的使用效 果的有关数据之后，纳米晶石的应用价值将很快得到评价。可以预计，纳米晶 石将会在城市绿化、城市雨洪治理方面得到广泛的应用。

Claims (8)

1.一种纳米晶石，其特征是：所述的纳米晶石材料结构为在基体内具有由开口气孔和毛细管道所构成多孔材料，相邻的气孔与气孔之间通过一个以上的毛细管道相互连通，气孔在基体内呈现随机分布状态。

2.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的纳米晶石的基础结构和性能如下：

自身孔隙率50-90％；

本体体积蓄水率50％-95％；

本体2-3分钟能够直接吸收本体体积50％-90％的水量；

筒压强度0.4Mpa-2Mpa；

自身比重0.4-1kg/L。

3.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的气孔形状包括圆形、无序椭圆形、鹅卵形、葫芦形或扁圆形。

4.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的开口气孔内部尺寸在0.1mm-5mm之间。

5.根据权利要求4所述的纳米晶石，其特征是：所述的开口气孔内部尺寸为1mm。

6.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的毛细管道呈网状或蜂窝状。

7.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的毛细管道的直径为200nm-500um，毛细管道的管壁厚度为100um-200um。

8.根据权利要求1所述的纳米晶石，其特征是：所述的黏土为高岭土、页岩土、红土、黑褐色土、风化黄土或泥沙。

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