一种铁碳泡沫复合填料及其制备方法技术

本发明专利技术属于水污染控制技术领域，尤其涉及一种铁碳泡沫复合填料及其制备方法。所述方法将原料制备成粘稠浆料，采用聚氨酯海绵作为骨架模板浸渍成型，使浆料均匀填充在聚氨酯海绵内，再挤出多余浆料，可通过控制挤压高度或者浸渍挤压次数控制截留在聚氨酯海绵上的浆料厚度。经干燥成型，烧结制得填料。聚氨酯海绵既在制备预制体过程中作为骨架，又在烧结过程中作为造孔剂被烧蚀，留下孔隙。本发明专利技术制备的填料具备多孔结构、合格的强度，可用于低碳氮比水体的深度脱氮除磷，能够为自养反硝化技术在污水脱氮除磷领域提供技术支持。污水脱氮除磷领域提供技术支持。污水脱氮除磷领域提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种铁碳泡沫复合填料及其制备方法


[0001]本专利技术属于水污染控制
，具体涉及一种铁碳泡沫复合填料及其制备方法。

技术介绍

[0002]零价铁和碳(活性炭，生物炭等)接触可以发生微电解反应，产生具有氧化还原活性的Fe
2+
和H2及电子。铁阳极反应为：Fe
→
2e
‑
+Fe
2+
，碳阴极反应为：2H
+
+2e
‑
→
H2。在环境污染治理领域，铁碳微电解方法被广泛用于有机物降解、还原脱氮等过程。铁碳微电解最初用于有机物去除，后来逐渐用于提升低碳/氮比(COD/TN即C：N＜5：1)条件下生物反硝化性能。铁碳微电解去除硝酸盐有三种途径：(1)利用e
‑
和H
+
进行生物脱氮，2NO3‑
+10e
‑
+12H
+
→
N2+6H2O；(2)利用铁腐蚀产生的H2反硝化脱氮，2NO3‑
+5H2→
N2+4H2O+2OH
‑
；(3)Fe(0)化学还原硝酸盐，4Fe(0)+NO3‑
+7H2O
→
4Fe
2+
+NH
4+
+10OH
‑
。微电解不仅能脱氮，阳极产生的Fe
2+
、Fe
3+
以及它们的水解产物Fe(OH)2、Fe(OH)3等具有较强的卷扫、絮凝、沉淀等作用，能够除磷。
[0003]在利用铁碳微电解进行污染治理时，通常采用直接将铁颗粒和活性炭颗粒混合填充反应床的方法。该方法虽然简单，但在长期运行时往往会造成铁碳床腐蚀板结，造成床体堵塞，污染物降解效率降低。另外，直接利用铁和碳形成的微电解过程用于还原脱氮时，会产生一定副产物氨氮，容易造成二次污染。
[0004]为了克服上述不足，有必要研究以铁粉和碳粉为主要原材料，辅助其他原料，制备具有抗腐蚀及板结、良好的催化选择性及优良的比表面积等一体化铁碳复合填料制备方法。
[0005]目前制备铁碳一体化复合材料多采用模具压制方法制备。例如，专利CN106044959A和CN106809922A将原料混合均匀后，放入模具中压制，然后烧结。这种方法制备的铁碳填料强度高，由于压制过程使材料过于致密，孔隙率差，影响填料内部传质，从而影响污染物去除。
[0006]聚氨酯泡沫具有丰富的孔隙度，其可以直接作为生物膜载体。通过对聚氨酯泡沫进行表面改性，可以一定程度改善其选择性富集和附着微生物性能。例如，专利CN108483644A公开了一种促进厌氧氨氧化快速启动与稳定运行的复合生物填料，所述填料在制备时，利用聚酯多元醇、多异氰酸酯、水、催化剂、表面活性剂以及发泡剂等多种原料，在制备聚氨酯泡沫制备过程中，直接加入活性炭和铁粉，使活性炭和铁粉存在聚氨酯泡沫表面。但是，为了保证产品顺利成型，只能控制聚氨酯泡沫、活性炭和铁粉的质量比仅为150：(1～2)：1。因此，铁碳组分含量低，导致微电解效能差，氮磷去除效果差。
[0007]专利CN109748380A将铁碳颗粒完全包裹到片状泡沫镍内，得到一种泡沫镍和铁碳的组合填料。外层泡沫镍包覆能够阻止铁碳颗粒直接接触而板结，不过内部还是铁碳颗粒基体，未能形成多孔的填料，导致孔隙率差。
[0008]因此有必要研发一种多孔且强度稳定的铁碳复合填料，使其具有抗板结、孔隙度高、高效脱氮除磷等优良性能，实现水质净化。

技术实现思路

[0009]为了克服上述技术问题，本专利技术提供一种铁碳泡沫复合填料及其制备方法，用于水质净化。为缓解铁碳材料的板结，将铁粉和碳粉等混合均匀，制备成一体化材料。同时为获得较高的孔隙率以及三维结构，利用聚氨酯泡沫作为模板，浸渍原材料的浆料，干燥成型后进行厌氧烧结。聚氨酯在烧结过程中被烧蚀，留下孔隙，最终得到三维多孔的铁碳泡沫复合填料。
[0010]为此本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种铁碳泡沫复合填料，其中，按质量份数计，每1
‑
27cm3的聚氨酯海绵中，包括：
[0012]铁粉15
‑
30份，活性炭粉5
‑
10份，粘土8
‑
25份，减水剂0.5
‑
5份，烧结助剂0.5
‑
5份，消泡剂0.1
‑
1份，强度增强剂0.1
‑
5份。
[0013]在复合填料的组分中，通过添加的特定用量和种类的减水剂和/或强度增强剂，能提高铁碳泡沫复合填料的抗压强度和孔隙率，使得复合填料的比表面积(高达90m2/g以上)、孔隙率(80％以上)以及力学强度(抗压强度4.0MPa以上)显著改善；进而显著提升复合填料在后续在水体中脱氮、除磷的效果和应用。
[0014]在一些实施方案中，所述铁碳泡沫复合填料中，铁粉为20
‑
30份；在一些优选地实施方案中，铁粉为30份。
[0015]在一些优选地实施方案中，所述铁碳泡沫复合填料中，减水剂为2份。
[0016]在一些优选地实施方案中，所述铁碳泡沫复合填料中，强度增强剂为3.5份。
[0017]在一些优选地实施方案中，所述聚氨酯海绵的规格为5
‑
20PPI(Pores per inch，单位英寸长度上的平均孔数)。
[0018]在一些优选地实施方案中，所述铁粉、活性碳粉粒径为100
‑
200目；
[0019]所述粘土选自高岭土，膨润土，伊利石中的任意一种或多种；
[0020]所述减水剂包括木质素磺酸盐和/或萘磺酸盐；
[0021]所述烧结助剂选自氧化硼，氧化铍，二氧化硅中的任意一种或多种；
[0022]所述消泡剂选自二甲基硅油，辛醇，月桂酸中的任意一种或多种；
[0023]所述强度增强剂选自碳化硅，氧化铝，氧化锆中的任意一种或多种。
[0024]本专利技术还提供一种所述的铁碳泡沫复合填料的制备方法，包括下列步骤：
[0025]1)将各组分混合均匀，加水搅拌得到混合浆料；加水量为各组分总质量的20
‑
40wt％；
[0026]2)将聚氨酯海绵浸入混合浆料，挤压浸渍，使混合浆料均匀填充在聚氨酯海绵孔隙内，取出后用平板挤压聚氨酯海绵，再挤出多余浆料，可通过按压高度或者浸渍挤压次数控制截留在聚氨酯海绵上的浆料厚度；室温放置，然后置于干燥箱中干燥，最后进行厌氧烧结除去聚氨酯，得到铁碳泡沫复合填料。
[0027]在一些实施方案中，所述步骤2)中挤压过程，挤压至聚氨酯海绵体积的2/3～3/4；
[0028]在一些优选地实施方案中，聚氨酯海绵为边长1
‑
3cm的立方体，挤压至聚氨酯海绵高度的2/3。
[0029]在一些优选地实施方案中，所述室温放置时间为1
‑
2h；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁碳泡沫复合填料，其中，按质量份数计，每1
‑
27cm3的聚氨酯海绵中，包括：铁粉15
‑
30份，活性炭粉5
‑
10份，粘土8
‑
25份，减水剂0.5
‑
5份，烧结助剂0.5
‑
5份，消泡剂0.1
‑
1份，强度增强剂0.1
‑
5份。2.根据权利要求1所述的铁碳泡沫复合填料，其特征在于，所述铁碳泡沫复合填料中，铁粉为20
‑
30份；优选地，铁粉为30份。3.根据权利要求1所述的铁碳泡沫复合填料，其特征在于，所述铁碳泡沫复合填料中，减水剂为2份。4.根据权利要求1所述的铁碳泡沫复合填料，其特征在于，所述铁碳泡沫复合填料中，强度增强剂为3.5份。5.根据权利要求1所述的铁碳泡沫复合填料，其特征在于，所述聚氨酯海绵的规格为5
‑
20PPI(Pores perinch，单位英寸长度上的平均孔数)。6.根据权利要求1所述的铁碳泡沫复合填料，其特征在于，所述铁粉、活性碳粉粒径为100
‑
200目；所述粘土选自高岭土，膨润土，伊利石中的任意一种或多种；所述减水剂包括木质素磺酸盐和/或萘磺酸盐；所述烧结助剂选自氧化硼，氧化铍，二氧化硅中的任意一种或多种；所述消泡剂选自二甲基硅油，辛醇，月桂酸中的任意一种或多种；所述强度增强剂选自碳化硅，氧化铝，氧化锆中的任意一种或多种。7.一种权...

【专利技术属性】
技术研发人员：全向春，陈亮，陈希瑾，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：