CN112573610A - 一种景观水处理净化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种景观水处理净化材料的制备方法，包括：(1)将羟基氧化铝分散到乙醇的水溶液中，搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液；将碳材料前驱体在惰性气体保护下以1～3℃/min的升温速率升温至1000～1200℃煅烧1～3h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片，然后加入到氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；(2)将多孔碳纳米片浸泡到羟基氧化铝溶液中超声20～30min，然后依次加入聚氨酯溶液以及聚L‑乳酸溶液继续超声30～60min，得到共混溶液；(3)将共混溶液置于真空度为0.05～0.1MPa的环境中3～5h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干20～30℃真空干燥箱中干燥18～24h，即得。本发明的材料韧性好，且对景观水具有良好的处理效果。
Description
技术领域
本发明属于景观水处理技术领域，具体涉及一种景观水处理净化材料及其制备方法。
背景技术
景观水通常指用于视觉观赏的水体，通常分为两类：一类是自然水景，像天然的湖泊、河流等；另一类是人工水景，像喷泉、人工湖、城市小型河道等。随着生活水平的提高，人们对于居住环境的要求也越来越高，城市水景观作为居住环境的一个组成部分不仅增加了观赏性，还可以增加水汽循环，起到调节小气候的作用。但是随之而来的景观水体污染也日益突显，景观水质恶化及水体富营养化都会对周围环境造成不良影响。
城市人工水景观多为封闭***，水体自净能力较差，而设计师在设计水景观时往往只考虑其观赏性，并未对水质的保持采取措施，导致水质恶化。现代化的城市人工水景观不仅要具有观赏价值，还应该形成自身的微生态***，即城市人工水景观微生态***。
景观水通常包括池塘、人工湖、流经城市的小型河道等，景观水治理需因地制宜、综合治理，常用的方法包括物理法、生物法和生态法。假设没有污水排入，景观水主要面临以下几种主要污染因素：1.雨水地表径流所带来的地表和土壤中的有机物和氮磷元素(地表雨水污染程度相当于生活污水)；2.大气降尘所带来的外来有机物和氮磷元素；3.湖泊本身不断衍生死亡的生物群落积累而成的有机物等；4.夏季高温时太阳暴晒导致蓝藻大量爆发。
目前用于处理景观水常用的方法包括：物理法、生物法和化学法。物理法包括引水换水，曝气充氧，紫外线除藻、杀菌，沉淀过滤/截污等。虽然引水换水能够更换受污染的水体，保持水质清澈，但是这种方法成本高，且没有从根本上解决污染的问题。曝气充气能够提高水体含氧量，防治水体黑臭，但是运行成本高。紫外线照射接触时间短、速度快，无需化学药刺，但是紫外线照射无后续作用且对浊度要求高。沉淀过滤/截污法能够截流水中较小颗粒的悬浮物和胶体杂质，但是过滤器在使用一段时间后会出现不同程度的堵塞、断流现象，使得处理效果日趋下降。
化学法包括投加硫酸铜、二氧化氯、加药气浮法以及混凝沉淀法。投加硫酸铜和二氧化氯对藻类、细菌和浮游生物具有明显的杀灭效果，但是加药会造成二次污染，藻类会产生耐药性，引起微生物变异等。加药气浮法可有效去除水中的细小悬浮颗粒、藻类、固体杂质和磷酸盐等污染物，使水中溶解氧好了增加但是会造成二次污染，工艺流程复杂。混凝沉淀可有效去除水中的悬浮物和藻类，操作简便，但是停留时间长，见效慢。
生物法包括生物接触氧化、曝气生物滤池、投加生物制剂以及水生动植物***。生物接触氧化和曝气生物滤池具有高效节能、耐冲击负荷能力强，占地面积小的优势，但是易发生污泥膨胀，污泥处理难的缺点。投加适量的微生物可在一定程度上净化水质，但是微生物的分解会造成藻类的大量繁殖，再次导致水质变坏；运营成本高。在景观水体中建立一套整体平衡的水生动植物体系，可提高水体自净能力，但是整个***平衡性差，周边环境的变化能够破坏平衡，使水质恶化。
多孔碳纳米片材料更多的被应用于吸附、催化等领域。它是一种类石墨烯的二维材料，具有高纵横比，刚性界面，且表面分布着孔径大小可调的微孔结构，同时具有杰出的热力学和化学稳定性。这些性质使其具有作为水处理材料的潜质。
虽然目前已有多种方法用于景观水处理中，但是每种方法都有各自的缺点。本申请发明人基于多孔碳纳米的性质，并结合可降解材料，制得一种膜材料，用于景观水处理中，效果明显。
发明内容
本发明的主要目的在针于对现有的景观水处理方法效果不佳的问题，提供一种景观水处理净化材料及其制备方法。本发明的净化材料能够有效去除景观水中的污染物，且该材料降解性能好，对环境无污染。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供了一种景观水处理净化材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将羟基氧化铝分散到乙醇的水溶液中，搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液；
将碳材料前驱体在惰性气体保护下以1～3℃/min的升温速率升温至1000～1200℃煅烧1～3h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片，然后将碳纳米片加入氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；
(2)将多孔碳纳米片浸泡到上述羟基氧化铝溶液中超声20～30min，然后依次加入聚氨酯溶液以及聚L-乳酸溶液继续超声30～60min，得到共混溶液；
(3)将上述制得的共混溶液置于真空度为0.05～0.1MPa的环境中3～5h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干20～30℃真空干燥箱中干燥18～24h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。
前述的制备方法，其中，所述羟基氧化铝和乙醇按照质量比为1：(100～150)的量加入。
前述的制备方法，其中，所述碳材料前驱体为柠檬酸钾或柠檬酸钠。
前述的制备方法，其中，所述氧化酸性溶液为体积比为(0.1～0.5)：(0.5～1)：(0.1～0.5)的硫酸、硝酸和双氧水的混合物。
前述的制备方法，其中，所述碳材料前驱体与氧化酸性溶液按照每1g碳材料前驱体与40～80mL氧化酸性溶液的比例量添加。
前述的制备方法，其中，所述多孔碳纳米片与羟基氧化铝溶液按照每1g多孔碳纳米片与50～100mL羟基氧化铝溶液的比例添加。
前述的制备方法，其中，所述聚氨酯溶液根据以下步骤配制：将1～5g聚氨酯溶于10～20mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min，即得。
前述的制备方法，其中，所述聚L-乳酸溶液根据以下步骤配制：将1～5g聚L-乳酸溶于20～40mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀，即得。
前述的制备方法，其中，所述聚氨酯溶液与聚L-乳酸溶液按照体积比为(1～5)：1的量加入。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：本发明以羟基氧化铝作为主要吸附物质，通过超声作用将羟基氧化铝结合到多孔碳纳米片上，然后与可降解聚合物聚合形成膜性材料，该材料具有良好的韧性和可降解性。本发明的羟基氧化铝和多孔碳纳米片兼具吸附性能，本发明通过将羟基氧化铝负载在多孔碳纳米片上，由于多孔碳纳米片兼具多孔和表面积大的性质，能够更多的负载羟基氧化铝，这两种物质结合具有协同增效作用，能够增强总体的吸附性能。本发明的净化材料以膜性状态存在，这样一方面便于使用，另一方面所使用的膜材料可降解，使用后对环境无污染。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
聚氨酯溶液的配制：将3g聚氨酯溶于15mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于25mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1200mL的乙醇溶液(浓度为50％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钾在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率升温至1200℃煅烧2h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到600mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.3：0.8：0.2的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述400mL羟基氧化铝溶液中超声25min，然后依次加入300mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声45min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.08MPa的环境中4h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干25℃真空干燥箱中干燥20h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
实施例2
聚氨酯溶液的配制：将4g聚氨酯溶于15mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于20mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1000mL的乙醇溶液(浓度为50％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钠在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至1000℃煅烧3h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到600mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.5：0.5：0.5的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述500mL羟基氧化铝溶液中超声20min，然后依次加入500mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声30min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.08MPa的环境中4h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干20℃真空干燥箱中干燥24h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
实施例3
聚氨酯溶液的配制：将1g聚氨酯溶于10mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将5g聚L-乳酸溶于20mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1200mL的乙醇溶液(浓度为75％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钾在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至1200℃煅烧1h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到800mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.5：1：0.5的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述250mL羟基氧化铝溶液中超声30min，然后依次加入100mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声30min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.05MPa的环境中5h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干30℃真空干燥箱中干燥18h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
实施例4
聚氨酯溶液的配制：将3g聚氨酯溶于15mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于40mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1500mL的乙醇溶液(浓度为45％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钠在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至1200℃煅烧1h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到400mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.5：1：0.5的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述350mL羟基氧化铝溶液中超声25min，然后依次加入300mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声45min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.1MPa的环境中3h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干20℃真空干燥箱中干燥24h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
实施例5
聚氨酯溶液的配制：将5g聚氨酯溶于20mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将1g聚L-乳酸溶于20mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1500mL的乙醇溶液(浓度为50％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钾在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至1200℃煅烧1h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到700mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.1：0.5：0.5的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述450mL羟基氧化铝溶液中超声25min，然后依次加入400mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声45min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.1MPa的环境中3h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干30℃真空干燥箱中干燥24h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
实施例6
聚氨酯溶液的配制：将3g聚氨酯溶于20mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于30mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1200mL的乙醇溶液(浓度为60％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将柠檬酸钠在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至1100℃煅烧2h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到700mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.1：0.5：0.3的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片浸泡到上述500mL羟基氧化铝溶液中超声25min，然后依次加入500mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声60min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.1MPa的环境中3h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干30℃真空干燥箱中干燥20h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
对比实施例1
聚氨酯溶液的配制：将3g聚氨酯溶于15mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于25mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
将柠檬酸钾在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率升温至1200℃煅烧2h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片。然后取10g碳纳米片加入到600mL氧化酸性溶液(硫酸、硝酸和双氧水按照体积比为0.3：0.8：0.2的混合物)中经过氧化反应制得多孔碳纳米片。将5g多孔碳纳米片与300mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液混合超声45min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.08MPa的环境中4h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干25℃真空干燥箱中干燥20h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
对比实施例2
聚氨酯溶液的配制：将3g聚氨酯溶于15mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min即可。
聚L-乳酸溶液的配制：将3g聚L-乳酸溶于25mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀即可。
取10g羟基氧化铝分散到1200mL的乙醇溶液(浓度为50％)中，将溶液搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液。将400mL羟基氧化铝溶液中依次加入300mL聚氨酯溶液以及100mL聚L-乳酸溶液继续超声30～60min，得到共混溶液。将制得的共混溶液置于真空度为0.08MPa的环境中4h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干25℃真空干燥箱中干燥20h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。测得膜厚度为0.04mm，按照GB/T1040.3检测其性能，性能参数见表1。
表1实施例1～6及对比实施例1～2的净化膜材料性能检测汇总
由表1的结果可以看出，本发明的膜材料具有优良的拉伸强度、断裂伸长率以及撕裂强度，较之对比实施例1和2具有很大的提升。
试验例1净化材料的污水处理效果试验
将本发明制得的用于景观水的净化膜材料应用于某小区的景观水处理中，处理前测得水中SS浓度为76mg/L，COD为120mg/L。
处理步骤为：根据景观水的形状，将用于景观水的净化膜材料裁制成相应的形状，然后铺在景观水上。该净化膜材料可实现对景观水中有机物的降解，处理1～2h完后，将其从水中取出，对景观水SS和COD指标进行测定，结果见表2。使用后的净化膜材料经过晾晒处理，可以循环使用，使用寿命一般为5次。
表2实施例1～6及对比实施例1～2的净化膜材料的景观水处理效果汇总
由表2的结果可以看出，本发明的净化材料能够有效去除景观水中SS和COD，且效果明显。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种景观水处理净化材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将羟基氧化铝分散到乙醇的水溶液中，搅拌均匀，得羟基氧化铝溶液；
将碳材料前驱体在惰性气体保护下以1～3℃/min的升温速率升温至1000～1200℃煅烧1～3h后保温30min，降温至室温，制得碳纳米片，然后将碳纳米片加入氧化酸性溶液中经过氧化反应制得多孔碳纳米片；
(2)将多孔碳纳米片浸泡到上述羟基氧化铝溶液中超声20～30min，然后依次加入聚氨酯溶液以及聚L-乳酸溶液继续超声30～60min，得到共混溶液；
(3)将上述制得的共混溶液置于真空度为0.05～0.1MPa的环境中3～5h后浇铸于不锈钢模具上，经干燥得到薄膜，将得到的薄膜用去离子水洗涤2～3次，然后置于干20～30℃真空干燥箱中干燥18～24h，即制得景观水处理材料，该材料为膜状材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述羟基氧化铝和乙醇按照质量比为1：(100～150)的量加入。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述碳材料前驱体为柠檬酸钾或柠檬酸钠。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述氧化酸性溶液为体积比为(0.1～0.5)：(0.5～1)：(0.1～0.5)的硫酸、硝酸和双氧水的混合物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述碳材料前驱体与氧化酸性溶液按照每1g碳材料前驱体与40～80mL氧化酸性溶液的比例量添加。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述多孔碳纳米片与羟基氧化铝溶液按照每1g多孔碳纳米片与50～100mL羟基氧化铝溶液的比例添加。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述聚氨酯溶液根据以下步骤配制：将1～5g聚氨酯溶于10～20mL N,N-二甲基酰胺溶剂中，经水浴加热后回流20min，即得。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述聚L-乳酸溶液根据以下步骤配制：将1～5g聚L-乳酸溶于20～40mL冰醋酸中磁力搅拌至溶液均匀，即得。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述聚氨酯溶液与聚L-乳酸溶液按照体积比为(1～5)：1的量加入。
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