亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法技术

本发明专利技术属于污水处理与无机纤维改性技术领域，涉及玄武岩纤维表面改性，尤其涉及一种亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法。本发明专利技术首先对玄武岩纤维表面用碱液进行刻蚀，然后用去离子水洗至中性，烘干活化；再采用物理涂覆，以壳聚糖为改性剂，将刻蚀后干燥的玄武岩纤维浸泡在壳聚糖溶液中，制备亲水性聚合物改性玄武岩纤维载体材料。本发明专利技术工艺简单，操作简便，适于工业化生产，易于推广。所制备的改性玄武岩纤维载体可保持玄武岩纤维原有的高比表面积、优异的力学性能和耐酸碱性等；可降低接触角，提高玄武岩纤维的亲水性，促进微生物在载体表面附着，加快生物膜的生长，缩短挂膜周期，提升微生物的负载量和活性，提高水质净化效率，具有较高的重复使用率。

【技术实现步骤摘要】
亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法
本专利技术属于污水处理与无机纤维改性
，涉及玄武岩纤维表面改性的方法，尤其涉及一种亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法。
技术介绍
生物膜法是污/废水处理中常用的生物处理方法，其实质是微生物附着生长在载体表面，形成生物膜，然后利用微生物的代谢作用对污/废水中的有机物进行吸附和分解。载体是生物膜生长和繁殖的栖息场所，载体材料的表面性能可直接影响微生物的生长和繁殖，进而影响生成的生物膜中的微生物种类、数量、活性，以及传质效果和污/废水处理效能，所以载体是生物膜法处理污/废水的核心部分。理想的生物膜载体应具备以下特性：优异的机械强度、高比表面积、良好的生物相容性等。目前，生物膜载体可分为有机和无机两大类载体。有机类载体可分为海藻酸钙和琼脂等天然高分子载体，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚氨酯(PU)等合成高分子载体。有机类载体具有许多优异的性能，因此在污水处理领域中迅速的发展。然而，有机类载体表面光滑，易老化，生物亲和性较差，且生产过程不环保、使用寿命短，废弃后回收利用难，易造成二次污染。无机类载体多为砂子、沸石、矿渣、活性炭和陶瓷材料等粒状载体。该类材料具有较高的机械强度和生物亲和性，然而其自身比重大，且传质效果差，影响污/废水处理效果。针对现用的有机、无机载体存在的不足，探求一种新的生物膜载体材料势在必行。玄武岩纤维是一种火山岩石在高温状态下熔融拉丝而成的新型无机柔性纤维材料，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、FexOy、MgO、TiO2、Na2O、K2O等。玄武岩纤维的生产工艺清洁，可避免常规的载体在生产过程中消耗大量的能源和资源的缺点。玄武岩纤维是一种柔性无机纤维，具有较高比表面积和机械强度，可将其应用于生物膜载体领域。然而，对比碳纤维类载体材料，玄武岩纤维载体表面活性基团较少，生物亲和性一般，因此需要对玄武岩纤维进行表面处理，以改善玄武岩纤维作为生物膜载体的附着性能，达到更佳的污/废水处理效果。壳聚糖大分子中含有较多的羟基和氨基等亲水基团，具有较高的生物亲和性、相容性、安全性和生物降解性。因此，本专利技术采用亲水性的壳聚糖对玄武岩纤维进行表面物理涂覆改性，以改善其表面的亲水性和生物亲和性。改性后的玄武岩纤维具有较好的亲水性和生物亲和性，能促进微生物的初始粘附，提高污/废水的处理效能；另一方面壳聚糖具有较好的生物降解性，在生物膜形成后，物理包裹的壳聚糖还可被微生物降解，提供微生物代谢所需的碳源。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术公开了一种亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，目的在于改善玄武岩纤维的生物亲和性，以克服玄武岩纤维的表面活性基团少、表面亲水性差的缺点。技术方案本专利技术首先对玄武岩纤维表面用碱液进行刻蚀，然后用去离子水洗至中性，烘干活化；再采用物理涂覆法，以壳聚糖为改性剂，将刻蚀后干燥的玄武岩纤维浸泡在壳聚糖溶液中，制备亲水性聚合物改性玄武岩纤维载体材料。亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，包括如下步骤：1)将玄武岩纤维浸于碱液中，进行刻蚀处理，刻蚀时间0.5～2h，优选1h，用以增加玄武岩纤维的表面粗糙度，增加壳聚糖与玄武岩纤维的接触面积；2)将刻蚀后的玄武岩纤维用去离子水洗至中性，烘干备用；3)配制0.2wt.％的稀酸溶液，将壳聚糖加入至稀酸中溶解，持续搅拌2～6h，制得低浓度的壳聚糖溶液，搅拌时间优选4h；4)将刻蚀后干燥的玄武岩纤维浸泡在壳聚糖溶液中1～5h，取出后移至真空干燥箱中烘干，制得亲水性壳聚糖改性的玄武岩纤维生物膜载体材料，浸泡时间优选2h。进一步地，步骤1)所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾中的一种，优选氢氧化钠，浓度为0.5～2mol/L，优选1mol/L。进一步地，步骤3)中所述稀酸溶液为冰醋酸溶液，所述壳聚糖的分子量为2～4万。进一步地，步骤3)中所述壳聚糖的浓度为0.5～2.0wt.％，优选1.5wt.％，利用壳聚糖本身的粘附性，采用物理涂覆法，将壳聚糖包裹在玄武岩纤维表面，在其表面引入亲水性基团。微生物附着量(挂膜率)评价：将改性前后的玄武岩纤维(BF和MBF)制作成伞状型载体，对两种载体进行挂膜实验。实验中采用人工合成有机废水，以葡萄糖作为碳源，以NH4Cl和KH2PO4分别提供N和P(C:N:P＝100:5:1)。挂膜实验中的接种污泥取自江苏省镇江市某污水处理厂(MLSS＝4500mg/L)，采用悬挂式将改性前后的玄武岩纤维载体置于2L的烧杯中，连续曝气48h后取出，烘干至恒重，微生物附着量以挂膜率表示，计算公式(1)如下：本专利技术所用试剂：玄武岩纤维为市售，规格为CBF13-1200，江苏绿材谷新材料科技发展有限公司；氢氧化钠、氢氧化钾，冰醋酸，分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；壳聚糖，分析纯，山东优索化工科技有限公司。有益效果本专利技术所述的制备方法，工艺简单，操作简便，适于工业化生产，易于推广；所制备的改性玄武岩纤维载体可保持玄武岩纤维原有的高比表面积、优异的力学性能和耐酸碱性等；可降低污/废水与玄武岩纤维间的接触角，提高玄武岩纤维的亲水性，促进微生物在载体表面附着，加快生物膜的生长，缩短挂膜周期，提升微生物的负载量，提高水质净化效率；玄武岩纤维载体是一种成本低、绿色环保、可回收利用的材料，具有较好的经济效益。附图说明图1、改性前后的玄武岩纤维FTIR谱图。图2、改性前后玄武岩纤维的接触角变化图，其中，A为改性前，B为改性后。图3、改性玄武岩纤维的挂膜效果图，其中，A为改性前，B为改性后。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本专利技术，但本专利技术并不局限于以下实施例。实施例1一种亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，包括如下步骤：(1)配制0.5mol/L的KOH溶液，将玄武岩纤维(BF)浸泡在KOH溶液中，1h后取出，用去离子水冲洗至中性，烘干备用；(2)配制浓度为0.2wt.％的CH3COOH溶液，称取一定量的壳聚糖并将其溶解到CH3COOH溶液中，搅拌3h，制得浓度为0.5wt.％的壳聚糖溶液；(3)将步骤(1)中干燥的玄武岩纤维浸泡在步骤(2)中的壳聚糖溶液中，在室温下浸泡2h后取出，移至真空干燥箱中烘干，制得改性玄武岩纤维载体(MBF-1)；将改性前后的玄武岩纤维(BF和MBF-1)制作成伞状型载体，对两种载体进行挂膜实验。微生物附着量以挂膜率(％)表示，按公式(1)计算。实施例2一种亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，包括如下步骤：(1)配制1mol/L的NaOH溶液，将玄武岩纤维(BF)浸泡在NaOH溶液中，0.5h后取出，用去离子水冲洗至中性，烘干备用；(2)配制浓度为0.2wt.％的CH3COOH溶液，称取一定量的壳聚糖并将其溶解到CH3COOH溶液中，搅拌5h，制得浓度为1.5wt.％的壳聚糖溶液；(3)将步骤(1)中干燥的玄武岩纤维浸泡在步骤(2)中的壳聚糖溶液中，在室温下浸泡4h后取出，移至真空干燥箱中烘干，制得改性玄武岩纤维载体(MBF-2)。将改性前后的玄武岩纤维(BF和MBF-2)制作成伞状型载体，对两种载体进行挂膜实验。微生物附着量以挂膜率(％)表示，按公式(1)计算。实施例3一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：1）将玄武岩纤维浸于碱液中，进行刻蚀处理，刻蚀时间0.5～2 h；2）将刻蚀后的玄武岩纤维用去离子水洗至中性，烘干备用；3）配制0.2 wt.% 的稀酸溶液，将壳聚糖加入至稀酸中溶解，持续搅拌2～6 h，制得低浓度的壳聚糖溶液；4）将刻蚀后干燥的玄武岩纤维浸泡在壳聚糖溶液中1～5 h，取出后移至真空干燥箱中烘干。

【技术特征摘要】
1.亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：1）将玄武岩纤维浸于碱液中，进行刻蚀处理，刻蚀时间0.5～2h；2）将刻蚀后的玄武岩纤维用去离子水洗至中性，烘干备用；3）配制0.2wt.%的稀酸溶液，将壳聚糖加入至稀酸中溶解，持续搅拌2～6h，制得低浓度的壳聚糖溶液；4）将刻蚀后干燥的玄武岩纤维浸泡在壳聚糖溶液中1～5h，取出后移至真空干燥箱中烘干。2.根据权利要求1所述亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾中的一种，浓度为0.5～2mol/L。3.根据权利要求2所述亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述碱液为氢氧化钠，浓度为1mol/L。4.根据权利要求1所述亲水性壳聚糖改性玄武岩纤维载体的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智仁，张晓颖，周向同，李姗蔚，荣新山，罗志军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32