一種天然高分子基水處理材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及污水處理技術領域，具體涉及一種新型天然高分子基水處理材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]填料在水處理領域獨特的性能，國內外的水處理工作者一直不斷的研制、開發、生產和應用各種不同的填料，提高水處理技術，滿足各種需求。20世紀80年代以來，國內外陸續開發了許多種類的填料，包括彈性填料、生物填料、纖維填料以及各種新型填料等，各種填料由于自身的特點，有著不同的優勢和劣勢，為水處理提供了選擇的空間。但是隨著水處理標準和水處理技術的發展，常規的填料已經不足以滿足目前水處理技術需求，并且資源短缺和環境污染已成為當今世界兩個主要的問題，因此，開發環境友好、處理性能良好、價格低廉的填料具有很重要的現實意義。
[0003]絲瓜絡纖維是絲瓜果實中的維管束，主要由纖維素、半纖維素及木質素組成，它具有獨特的多孔性物理結構和優良的機械強度，并在我國江、浙、滬、豫、贛、陜等很多地方廣泛種植。絲瓜絡纖維外觀為中空圓柱體形，比表面積比較大，且呈現交織密布的天然網狀結構，內部結構纖維規則分布，這種天然植物結構特性有利于生物膜掛膜，很適合作載體使用，能有效抵抗水力沖刷。最重要的是其價格便宜，具有廣泛的水處理應用前景。
[0004]例如，公告號為CN203803168U的中國實用新型專利公開一種采用絲瓜絡纖維進行污水一級A過濾處理或企業污水初步過濾處理的系統，包括絲瓜絡過濾導水裝置、緩沖水池，所述絲瓜絡過濾導水裝置設置在緩沖水池出水口處。
[0005]公告號為CN201003006Y的中國實用新型專利文獻公開了一種絲瓜絡載體生物接觸氧化床，包括床體、支架、溢流堰、曝氣管道、絲瓜絡填料，用支架將絲瓜絡填料懸放置氧化床中，絲瓜絡填料與活性污泥相接觸，在活性污泥的底部設有曝氣管道，污水中的有機物在生物膜和懸浮污泥中微生物的聯合作用下被吸附降解。
[0006]公開號為CN104446417A的發明專利公開了一種基于絲瓜絡制備的多孔塊狀鐵氧體及其制備方法，首先將完整的絲瓜絡曬干，浸泡于鐵氧體前驅液中；隨后將產物在高溫下熱分解在植物脈絡中原位合成鐵氧體，從而得到具有一定機械強度的多孔塊狀鐵氧體材料。制得的多孔塊狀鐵氧體在吸附劑、難降解廢水處理方面具有潛在的用途。
[0007]公開號為CN102086058A的發明專利介紹了一種用于微污染水源水生物預處理的絲瓜絡填料及預處理方法:(I)將成熟絲瓜去皮、去籽，剪掉兩端較細部分，將剩余部分剪成厚度2cm左右的柱狀絲瓜絡，用高強度玻璃纖維絲將其系牢并串聯在一起，將其固定在反應器中作填料使用；(2)將接種污泥栗入反應器中與絲瓜絡填料充分接觸，采用連續進水、連續出水、持續曝氣的方式對絲瓜絡上的微生物進行培養、馴化后，用蠕動栗將微污染源水栗入反應器，反應器底部曝氣裝置持續曝氣，軟性絲瓜絡填料上的微生物將水中有機物和氨氮氧化去除。
[0008]但絲瓜絡作為一種純天然的高分子材料，直接應用于水處理中容易造成過快降解，需要頻繁更換，造成出水水質的不穩定，在工程應用上受到了一定的限制。
【發明內容】
[0009]為了延長絲瓜絡材料的使用壽命，本發明提供一種天然高分子基水處理材料及其制備方法。
[0010]一種天然高分子基水處理材料的制備方法，包括如下步驟:
[0011](I)將絲瓜絡經堿處理后用去離子水沖洗至中性，晾干；
[0012](2)將晾干后的絲瓜絡先用單體處理后再進行等離子體表面處理；或將晾干后的絲瓜絡采用單體與等離子體同時進行表面處理；(3)將經步驟(2)處理后的絲瓜絡置于金屬鹽溶液中水浴反應，水浴反應所得產品用去離子水洗凈后即得。
[0013]本發明對絲瓜絡先進行疏水改性以大大延長其使用周期，再通過表面陽離子化過程增強其微生物親和性和親水性，加快掛膜速度以實現高效處理污水。據此方法所制備材料可作為微生物掛膜載體用于城鎮生活污水治理、工業廢水處理、生態溝渠、河道、湖泊以及其它受污染景觀水體的修復領域，實現水資源的循環和資源再利用。
[0014]堿處理是為了去除絲瓜絡表面的果膠等雜物，利于后續處理；優選地，所述堿處理為:在質量濃度為1-6%的堿液中處理l_3h。進一步地，所述堿液為NaOH溶液。
[0015]優選地，所述低表面能單體有機硅、有機氟和硅氟材料中的的一種或幾種的混合物。進一步優選地，所述有機硅為硅烷偶聯劑；所述有機氟為CF4。
[0016]所述低表面能單體可以為氣態和液態，當所述低表面能單體為液態時，步驟(2)中采用的處理方式為:將晾干后的絲瓜絡先用單體處理后再進行等離子體表面處理；當所述低表面能單體為氣態時，步驟(2)中選擇的處理方式為:或將晾干后的絲瓜絡采用單體與等離子體同時進行表面處理。
[0017]進一步優選地，步驟(2)中選擇第一種處理方式時:先將晾干后的絲瓜絡在液態低表面能單體中浸泡，洗凈烘干后在固定頻率為13.56MHZ、功率為50-200W下進行等離子體表面處理30-300s。
[0018]更進一步地，絲瓜絡在液態低表面能單體中浸泡時間為30?120min，洗凈后在45-75 °C下烘干。
[0019]液態低表面能單體的質量濃度為3?8%。
[0020]進一步優選地，步驟(2)中選擇第二種處理方式時:在固定頻率為13.56MHZ、功率為50-200W下將晾干后的絲瓜絡在通入氣態低表面能單體的氛圍中進行等離子體表面處理 30-300s。
[0021]更進一步優選地，氣態低表面能單體的通入速度為5_80sccm。
[0022]在除絲瓜絡表面的果膠等雜物后，本發明借助等離子體技術，通過輔助低表面能單體物質，對材料表面進行疏水改性，實現絲瓜絡表面疏水，延長使用壽命；
[0023]本發明中在對絲瓜絡進行表面疏水改性后再對材料進行表面陽離子化，以增強材料的的生物親和性，利于微生物掛膜。優選地，所述的金屬鹽溶液為鐵鹽、鋁鹽和鈣鹽中的至少一種。金屬鹽溶液的質量濃度為3?7%。
[0024]優選地，水浴處理時間為30?90min，水浴處理溫度為45_75°C。
[0025]最優選的制備方法如下:
[0026](I)將絲瓜絡在質量濃度為2%的堿液中處理Ih后，用去離子水沖洗至中性晾干備用;
[0027](2)固定頻率為13.56MHZ,功率設置為100W，反應時間為180s，將上述烘干后的絲瓜絡在通入氣態低表面能單體進氣速度為20SCCH1的條件下進行等離子體表面處理；低表面能物質為CF4;
[0028](3)等離子體處理后，將取出的絲瓜絡置于金屬鹽溶液中水浴反應90min，金屬鹽溶液為CaCl2，質量濃度為3% ;去離子水洗滌制備后的產品即為強化的水處理材料。
[0029]該方案制備后的強化水處理材料固定安裝于連續運行的生物膜好氧反應器中處理廠區生活污水，結果表明其使用壽命較原材料延長可遠超過3年，單位掛膜量較立體彈性填料增加約35%，對COD、TN的平均去除率分別達到95%與90%。
[0030]本發明還提供一種如所述制備方法制備得到的天然高分子基水處理材料。
[0031]本發明首先對天然絲瓜絡進行堿處理以去除表面雜質，進而再借助等離子體技術，通過輔助低表面能單體物質，對材料表面進行疏水改性，實現絲瓜絡表面疏水，延長使用壽命；再進一步對材料進行表面陽離子化，以增強材料的生物親和性，利于微生物掛膜。各處理步驟之間相互協同，共同作用，使制備的水處理產品既保留了原材料的三維立體結構，便于微生物附著，又增強了其實際應用和工程使用壽命，且相對一般