一種陶粒填料及其化學(xué)改性方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，涉及一種陶粒填料及其化學(xué)改性方法。以普通陶粒填料為載體，經(jīng)過水洗、酸洗、烘干滅菌等工序后，經(jīng)改性劑浸漬后，使其充分接觸，改變陶粒內(nèi)外表面的物化性能，并經(jīng)高溫焙燒，使改性劑濃縮，金屬氧化物沉積在陶粒表面，即成改性陶粒填料。化學(xué)改性后的陶粒填料，可使菌種更易于附著其表面，具有生物掛膜時(shí)間短、生物膜分布均勻及耐沖擊負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)。該化學(xué)改性的陶粒填料可廣泛用于生物膜滴濾塔設(shè)備的生物濾料，在污水處理、廢氣凈化及揮發(fā)性有機(jī)物分離等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種陶粒填料及其化學(xué)改性方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，具體的說涉及一種通過化學(xué)方法改性的陶粒填料。

【背景技術(shù)】
[0002]填料是生物膜滴濾塔微生物的載體，是生物固定和污染物處理的主要場所。填料性質(zhì)直接影響填充層生物量的生長，系統(tǒng)能耗，以及惡臭污染物的氣-液-固三相的相傳質(zhì)過程及其分配系數(shù)。因而填料性能直接影響生物膜滴濾塔處理效率。依據(jù)吸附理論，填料應(yīng)該選擇比表面積大、生物親和性好、抗酸抗堿耐氧化、使用壽命長、質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)度大、安裝維修方便以及價(jià)格便宜等。優(yōu)選填料能提高反應(yīng)器內(nèi)單位體積微生物濃度，增大污染物向微生物的傳質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的處理能力、緩沖能力和系統(tǒng)負(fù)荷。
[0003]目前，應(yīng)用于生物膜滴濾塔常用的生物填料多為天然惰性填料如:r0ckwool-compost、沸石、組合填料,輕質(zhì)陶粒，多為娃酸鹽礦物或有機(jī)聚合物，本身帶有負(fù)電荷。而且填料存在成本高,耗能多,機(jī)械強(qiáng)度低,抗沖刷磨損性能差等缺點(diǎn)。同時(shí)也由于填料表面粗糙度不夠，微生物很難在短時(shí)間附著在填料表面，造成現(xiàn)有填料掛膜周期長，生物膜易脫落，而不利用微生物生長繁殖，掛膜性能差的現(xiàn)象。
[0004]因此，需要對這種高分子聚合材料的填料表面進(jìn)行改性。一般認(rèn)為，填料吸附能力較弱，經(jīng)過改性后，其吸附能力大大增加。改性技術(shù)近十年漸漸被人們所認(rèn)識(shí)，填料改性的基礎(chǔ)理論就是通過理化方法，改變原填料或其表面的物理化學(xué)性質(zhì)，在水污染治理中已有較多研究。分析指出改性填料表面涂層的物理、化學(xué)性能影響顆粒和溶解物質(zhì)的去除，涂層具有大比表面積、表面吸附位、表面粗糙度和多孔性是改性填料表現(xiàn)出優(yōu)勢的原因。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)中生物掛膜時(shí)間長、生物膜分布不均勻、固定附著度差、耐沖擊負(fù)荷低等技術(shù)不足，本發(fā)明通過對原陶粒填料的內(nèi)表面進(jìn)行化學(xué)改性，成為一種新型陶粒填料，可更好地固定某種特定目標(biāo)微生物，提高對污染物的處理效果。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供該新型陶粒填料的化學(xué)改性方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的。一種改性陶粒填料，通過表面預(yù)處理，然后進(jìn)行改性劑浸潰,對填料載體的內(nèi)外孔表面進(jìn)行改性處理,最后高溫焙燒,即成改性陶粒填料。
[0007]經(jīng)化學(xué)改性處理后的陶粒填料物化性能參數(shù)為:密度2.Γ2.5 g/cm3,比表面積
0.4?0.8 m2/g，孔隙率0.5?0.7，等電點(diǎn)pH 7.5?9.0，表面pH 5.0?6.0。
[0008]陶粒填料的化學(xué)改性方法:將陶粒洗凈后烘干；用10%?30% H2SO4溶液浸潰20?40小時(shí)，水洗至中性；烘干后置于改性劑中浸潰2(Γ40小時(shí)；烘干后焙燒，冷卻，洗滌，烘干，即成改性的陶粒填料。
[0009]所述的改性劑為硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁等物質(zhì)中的任意一種。
[0010]所述的改性劑濃度為0.5mol/L?2 mo I/L
所述的焙燒溫度為300°(T700°C，焙燒時(shí)間為I飛小時(shí)。
[0011]所述的陶粒浸潰于改性劑的溫度為60°(T100°C 所述的烘干溫度為100°(Tl20°C，時(shí)間為2?4小時(shí)。
[0012]一種快速塔內(nèi)掛膜的方法，包括以下步驟:將待固定的菌種(例如硝化菌，脫硫菌，)直接接入營養(yǎng)液中，在生物膜滴濾塔中，含菌種的營養(yǎng)液由上而下噴淋到填料上，菌種被固定在上面，并通過定期添加優(yōu)勢菌種的氣液相逆流同步馴化掛膜，加快掛膜效率，逐漸成長固定形成穩(wěn)定、均勻致密的生物膜。
[0013]在以上加工工序中，預(yù)處理階段的作用是去除陶粒內(nèi)外表面對固定化微生物有害的雜質(zhì)，同時(shí)擴(kuò)大內(nèi)孔的容積，使恢復(fù)陶粒表面恢復(fù)活化能力，使改性劑粘附效果更佳。浸潰過程的主要目的是使改性劑與陶粒充分接觸，改變陶粒內(nèi)外表面的物化性能。烘干的作用首先是滅菌，去除對固定化微生物有害的雜菌；其次是去除陶粒內(nèi)孔的水份。高溫焙燒的目的是使HCl或HNO3從溶液中蒸發(fā)，改性劑濃縮，金屬氧化物沉積在陶粒表面，使改性陶粒具有不同于原陶粒的特殊性能。焙燒溫度及焙燒時(shí)間的確定，直接影響著改性填料性能的優(yōu)劣。
[0014]本發(fā)明提出一種利用化學(xué)方法改性的陶粒填料及其制備方法。改性填料填料可增加其比表面積和親水性，提高單位體積填料的生物容量；加大其孔隙率，擴(kuò)大氣體與生物的接觸面，提高污染物在生物膜滴濾塔內(nèi)的傳質(zhì)速率。化學(xué)改性后的陶粒填料，可使菌種更易于附著其表面，具有生物掛膜時(shí)間短、生物膜分布均勻及耐沖擊負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)。
[0015]本發(fā)明的化學(xué)改性的陶粒填料可廣泛用于生物膜滴濾塔設(shè)備的生物濾料，在污水處理、廢氣凈化及揮發(fā)性有機(jī)物處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該改性填料及其制備方法無論對現(xiàn)有生物膜法進(jìn)行廢氣廢水處理、揮發(fā)性有機(jī)物凈化與分離等領(lǐng)域的技術(shù)改造與升級(jí)，還是對新建生物膜滴濾凈化系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本的降低和凈化效果的提升，都具有重要指導(dǎo)意義。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明加以詳細(xì)描述。
[0017]實(shí)施例1
將所述的陶粒用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后，烘干2小時(shí)；用30% H2SO4溶液浸潰40小時(shí)，水洗至中性；將其置于烘箱中105°C烘干2小時(shí)左右；將烘干后的陶粒在尚未冷卻條件下投入含有1.5mol/L FeCl3溶液的改性劑中，浸潰40小時(shí)；將其置于烘箱中105° C烘干2小時(shí)；將浸潰、烘干的陶粒放人馬弗爐中，在400°C溫度下焙燒3小時(shí)，至室溫下冷卻；用蒸餾水沖洗干凈，烘干2小時(shí)后，即成改性的陶粒填料。
[0018]經(jīng)檢測分析，對陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，改性后陶粒的性能參數(shù)為:密度2.5 g/cm3,比表面積0.8 m2/g，孔隙率0.7,等電點(diǎn)pH 9.0，表面pH 5.0。
[0019]實(shí)施例2
將所述的陶粒用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后，烘干2小時(shí)；用30% H2SO4溶液浸潰20小時(shí)，水洗至中性；將其置于烘箱中105°C烘干2小時(shí)左右；將烘干后的陶粒在尚未冷卻條件下投入含有0.5 mo I/L FeCl3溶液的改性劑中，浸潰20小時(shí)；將其置于烘箱中105° C烘干2小時(shí)；將浸潰、烘干的陶粒放人馬弗爐中，在300°C溫度下焙燒I小時(shí)，至室溫下冷卻；用蒸餾水沖洗干凈，烘干2小時(shí)后，即成改性的陶粒填料。
[0020]經(jīng)檢測分析，對陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，改性后陶粒的性能參數(shù)為:密度2.12 g/cm3,比表面積0.45 m2/g，孔隙率0.57，等電點(diǎn)pH 7.56，表面pH 5.96。
[0021]實(shí)施例3
將所述的陶粒用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后，烘干2小時(shí)；用30% H2SO4溶液浸潰20小時(shí)，水洗至中性；將其置于烘箱中105°C烘干2小時(shí)左右；將烘干后的陶粒在尚未冷卻條件下投入含有I mol/L FeCl3溶液的改性劑中，浸潰40小時(shí)；將其置于烘箱中105° C烘干2小時(shí)；將浸潰、烘干的陶粒放人馬弗爐中，在500°C溫度下焙燒3小時(shí)，至室溫下冷卻；用蒸餾水沖洗干凈，烘干2小時(shí)后，即成改性的陶粒填料。
[0022]經(jīng)檢測分析，對陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，改性后陶粒的性能參數(shù)為:密度2.43 g/cm3,比表面積0.68 m2/g，孔隙率0.65，等電點(diǎn)pH 8.4，表面pH 5.2。
[0023]實(shí)施例4
將所述的陶粒用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后，烘干2小時(shí)；用30% H2SO4溶液浸潰20小時(shí)，水洗至中性；將其置于烘箱中105°C烘干2小時(shí)左右；將烘干后的陶粒在尚未冷卻條件下投入含有2 mol/L FeCl3溶液的改性劑中，浸潰2(Γ40小時(shí)；將其置于烘箱中105° C烘干2小時(shí)；將浸潰、烘干的陶粒放人馬弗爐中，在700°C溫度下焙燒5小時(shí)，至室溫下冷卻；用蒸餾水沖洗干凈，烘干2小時(shí)后，即成改性的陶粒填料。
[0024]經(jīng)檢測分析，對陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，改性后陶粒的性能參數(shù)為:密度2.16 g/cm3,比表面積0.47 m2/g，孔隙率0.52，等電點(diǎn)pH 7.85，表面pH 6.0。
[0025]實(shí)施例5
將所述的陶粒用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后，烘干2小時(shí)；用30% H2SO4溶液浸潰20小時(shí)，水洗至中性；將其置于烘箱中105°C烘干2小時(shí)左右；將烘干后的陶粒在尚未冷卻條件下投入含有I mol/L FeCl3溶液的改性劑中，浸潰40小時(shí)；將其置于烘箱中105° C烘干2小時(shí)；將浸潰、烘干的陶粒放人馬弗爐中，在400°C溫度下焙燒2小時(shí)，至室溫下冷卻；用蒸餾水沖洗干凈，烘干2小時(shí)后，即成改性的陶粒填料。
[0026]對陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，改性后陶粒的性能參數(shù)為:密度2.238 g/cm3,比表面積 0.72 1112/^，孔隙率0.60，等電點(diǎn)？!1 8.50，表面 pH 5.63。
[0027]應(yīng)用例1:
以實(shí)施例1中的改性陶粒為填充填料，采用塔內(nèi)掛膜法，進(jìn)行生物膜的制備。將富含高濃度脫硫菌種的營養(yǎng)液分別注入改性后的生物滴濾中。改性陶粒的掛膜時(shí)間為8天，其最大生物量為1.587 mg/g。
[0028]以改性陶粒為填充填料，生物膜滴濾塔中，當(dāng)溫度30 0C，氣體流量為180 L/h，SO2濃度為2000 mg/m3，填料高度為900 _1，？63+濃度0.8 g/L，初始pH值為1.8，液體噴淋量為6 L/h，測定脫硫率為100 %。
[0029]應(yīng)用例2
以實(shí)施例2中的改性陶粒為填充填料，采用塔內(nèi)掛膜法，進(jìn)行生物膜的制備。改性陶粒的掛膜時(shí)間為12天，其最大生物量為1.358 mg/g。
[0030]以改性陶粒為填充填料，生物膜滴濾塔中，當(dāng)溫度30 0C，氣體流量為180 L/h, SO2濃度為2000 mg/m3，填料高度為900 _1，？63+濃度0.8 g/L，初始pH值為1.8，液體噴淋量為6 L/h，測定脫硫率為75.9 %。
[0031]應(yīng)用例3
以實(shí)施例3中的改性陶粒為填充填料，采用塔內(nèi)掛膜法，進(jìn)行生物膜的制備。改性后陶粒掛膜時(shí)間為10天，其最大生物量為1.523 mg/g。
[0032]以改性陶粒為填充填料，生物膜滴濾塔中，溫度28 V，氣體流量為180 L/h, SO2濃度為2000 mg/m3，填料高度為900 _1，？63+濃度0.8 g/L，初始pH值為1.8，液體噴淋量為6L/h，測定脫硫率為90.9 %。
[0033]通過實(shí)施例與應(yīng)用例結(jié)果可以看出，表明經(jīng)改性的陶粒為填料，增加其比表面積和親水性，提高單位體積填料的生物容量；加大其孔隙率，擴(kuò)大氣體與生物的接觸面，提高污染物在生物膜滴濾塔內(nèi)的傳質(zhì)速率，提高脫硫效率。
【權(quán)利要求】
1.一種陶粒填料，其特征在于對普通的陶粒進(jìn)行化學(xué)改性處理，處理后的陶粒物化性能參數(shù)為:密度2.Γ2.5 g/cm3,比表面積0.Γο.8 m2/g，孔隙率0.5?0.7，等電點(diǎn)pH7.5?9.0，表面 pH 5.0?6.0。
2.一種陶粒填料的化學(xué)改性方法，其特征在于:將陶粒洗凈后烘干；用10°/Γ30% H2SO4溶液浸潰2(Γ40小時(shí)，水洗至中性；烘干后置于改性劑中浸潰2(Γ40小時(shí)；烘干后焙燒，冷卻，洗滌，烘干，即成改性的陶粒填料。
3.如權(quán)利要求2所述陶粒填料，其特征在于所述的改性劑為硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁中的一種。
4.如權(quán)利要求2或3所述陶粒填料，其特征在于所述的改性劑濃度為0.5mol/L?2 mol/L0
5.如權(quán)利要求2所述陶粒填料，其特征在于焙燒溫度為300°(T700°C，焙燒時(shí)間為廣5小時(shí)。
6.如權(quán)利要求2所述陶粒填料，其特征在于陶粒浸潰于改性劑的溫度為60°(T100°C。
7.如權(quán)利要求2所述陶粒填料，其特征在于烘干溫度為100°(T120°C，時(shí)間為2?4小時(shí)。
【文檔編號(hào)】B01J19/30GK104226230SQ201310241057
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】郝愛香, 毛松柏, 孔京 申請人:中國石油化工股份有限公司, 南化集團(tuán)研究院