一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置及方法与流程

本发明涉及一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置及方法，属于复合材料成形技术领域。

背景技术：

人类工业化进程的不断进步为我们带来经济效益的同时也对环境造成了严重破坏，大量工业废水在未经处理或处理不彻底时便排入河流、湖泊和海洋等，工业废水具有污染种类多、成分复杂、可生化性差等特点，尤其我国作为发展中国家，不及时处理大量排出的工业废水将时刻威胁着生态环境，阻碍着经济的可持续性发展。近些年一些新型的工艺逐渐应用于污水处理中，如膜萃取法、超声波降解法、光催化氧化法等，其中光催化技术是一种新兴高效节能现代绿色环保技术，指在催化剂的作用下，利用光辐射将污染物分解为无毒或毒性较低的物质的过程。但是在光催化材料的应用研究中，延长动水与光催化材料的接触时间是人们研究的重点之一。

但纳米晶TiO₂的负载基体的选择与制备一直是阻碍TiO₂光催化方法推广使用的瓶颈。由于TiO₂光催化膜进行降解反应的前提是需要将周围介质中的污染物分子进行大量的捕获，这就需要光催化膜与污水具有较大的接触面积，其前提是负载基体材料具有较高的比表面积，因此基体多采用多孔型材料，如硅胶、沸石、玻璃纤维、多孔陶瓷等。但上述基体材料在工程应用中普遍具有成本高、结构强度低等缺点，只适合于小型净化装置或处理模块中使用，不适合在水利环保工程中大规模的使用。因此目前亟需一种可制备具有孔洞分布均匀、比表面积大、结构强度高、生产成本低的透水基体材料的方法及装置，并在此基础上制备出负载了纳米晶TiO₂光催化膜的多孔透水砖。

我国是农业大国，在很多地区均有丰富的秸秆资源，主要从燃料、肥料、饲料、建筑基材等方面再利用。而由于秸秆再利用的成本问题，使得大量的秸秆不能够很好的回收，便造成大量秸秆的焚烧，不仅浪费了资源，同时也对大气造成了严重污染，直接威胁着人类的健康；而造成的雾霾天气也影响着公路交通以及人们出行安全。

目前人们在秸秆资源的再利用方面做出了大量的努力，使得秸秆在很多领域都重新获得了利用价值，然而利用秸秆资源和光催化技术的综合利用仍然很少。采用秸秆制备光催化材料的基体材料，不但能降低秸秆处理不当而造成的二次污染，而且还能形成一种新型的环保材料，这将对我国环境治理水平与资源循环利用具有积极的意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置及方法，所制备的光催化多孔透水砖具有孔洞分布均匀、形态规则、贯通性好、比表面积大、结构强度高等优点，适用于大规模生产光催化多孔透水砖材料。

本发明的技术解决方案：一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置，其特征在于：包括熔蜡装置、输蜡装置、送料装置、成形模具、微震台装置,其中所述熔蜡装置中的储蜡槽20与输蜡装置中的浆料泵19相接，输蜡装置中的输蜡管1与送料装置中的多个出蜡喷嘴3连接；成形模具9底部与微震台装置连接。

秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的方法，包括如下工艺步骤：

（1）将株径为1cm~3cm的秸秆去除侧叶后截断成长度为6cm~10cm的小段；

（2）将滴点为65℃~68℃的石蜡放置于储蜡槽中熔化，槽内温度保持100℃；

（3）将水泥、河砂、水玻璃（模数为3.0，波美度为30）、短切玻璃纤维丝（长度为5cm）、水泥发泡剂和水按80: 50: 120: 1: 5: 100的质量比投入搅拌机中搅拌均匀，并装入浆料罐中备用；

（4）将秸秆段平行放置于送料床上，开启浆料泵和振动送料器，同时开启冷风口吹冷风，并开启热风罩向下喷出温度为100℃的热空气，秸秆段在送料床上滚动前行并多道次包裹石蜡，达到送料床末端位置时其蜡层厚度为8~12mm；

（5）覆蜡秸秆段在后端热风作用下表层熔化，落入成形模具中随机搭接并交联成为空间网状结构，覆蜡秸秆段堆积高度达到成形模具设定高度后停止送料，开启浆料罐底部阀门将混合浆料灌入成形模具中，灌浆高度低于秸秆堆积高度1~2cm；

（6）开启振动电机1~2min，使混合浆料均匀填充入覆蜡秸秆缝隙中；

（7）静置12小时后将砖块从成形模具中取出，在自然状态下干燥5~7天；

（8）将砖块放入马弗炉中，在100℃保温30min，使其覆蜡层熔化并流出，缓慢升温至400℃保温5小时，使砖块内秸秆完全碳化烧损，然后随炉冷却至常温，即可获得多孔透水砖；

（9）将所制备的多孔透水砖完全浸渍于光催化镀液（成分体积比为：钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸=1:4.5:2:0.6:0.03），并在镀液中进行反复提拉5分钟，取出干燥2小时；反复此操作3~4次，即可获得负载了纳米晶TiO₂光催化膜的多孔透水砖。

本发明具有以下有益效果：

1）采用水泥、砂作为成形基材，水玻璃作为粘结剂，玻璃纤维作为基体增强材料，所制备的多孔透水砖具有较高的结构强度，适用于各类水环境治理工程领域；

2）采用秸秆作为造孔填料，通过选择不同株径秸秆和调整秸秆截断长度，可控制秸秆堆积交联的体积率，从而可制备具有不同孔径和孔隙率的多孔透水砖，同时也为秸秆循环再利用提供了一种方法；

3）采用在秸秆段表面覆蜡的方法使得秸秆段可相互交联成为空间网状结构，从而在砖块内部形成100%的贯通孔结构，提高了多孔砖的透水率和有效过水面积，同时砖块内孔连通路径复杂，水力停留时间长，有效的提高了污水与TiO₂纳米光催化膜的接触面积与反应时间，提高了水质净化效果；

4）混合浆料中添加有水泥发泡剂，可在秸秆形成的孔洞内表面形成大量微小的二次气孔，不但增大了透水砖的比表面积，而且还提高了TiO₂纳米光催化膜的附着强度，有效的提高其水质净化效率，延长其维护周期；

5）结构简单，操作方便，适宜进行大批量生产。

附图说明

附图1是秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置的主视图。

附图2是图1的A-A视图。

附图3是出蜡喷嘴示意图。

附图4是送料床示意图。

图中的1是输蜡管、2是秸秆段、3是出蜡喷嘴、4是冷风口、5是送料床、6是覆蜡秸秆段、7是热风罩、8是浆料罐、9是成形模具、10是混合浆料、11是振动台、12是支撑弹簧、13是底板、14是振动电机、15是排蜡管、16是加热板、17是中温石蜡、18是地基、19是浆料泵、20是储蜡槽、21是振动送料器、22是边框、23是衬网。

具体实施方式

如附图所示，一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的装置，其特征在于：包括熔蜡装置、输蜡装置、送料装置、成形模具、微震台装置,其中所述熔蜡装置中的储蜡槽20与输蜡装置中的浆料泵19相接，输蜡装置中的输蜡管1与送料装置中的多个出蜡喷嘴3连接；成形模具9底部与微震台装置连接。

所述熔蜡装置包括储蜡槽20和加热板16，其中储蜡槽20放置于加热板16上，储蜡槽20下部还设置有排蜡管15；所述储蜡槽20为一上部开口的长方体结构，其上边缘设有法兰边，下部还设置有排蜡管15。

所述输蜡装置包括浆料泵19、输蜡管1、出蜡喷嘴3，其中浆料泵19与储蜡槽20底部连通，出蜡喷嘴3为一中空契形结构，多个出蜡喷嘴3上端连接输蜡管1，出蜡喷嘴3下端为缝状出蜡口，缝宽4mm。

所述送料装置包括振动送料器21和送料床5，两个振动送料器对称固定于储蜡槽20上部法兰上，送料床5两侧边框22分别与振动送料器21连接，送料床5中部为衬网23，衬网23采用密度为10目的不锈钢网，送料床5前段、中段均为水平，后段向下倾斜，

送料床5上方间隔固定出蜡喷嘴3和冷风口4，排列间距为10~15cm，热风罩7固定于送料床5后端上方。

所述冷风口4为长方形出风口，与鼓风机连接，出蜡喷嘴3和冷风口4底部与送料床5表面间距为10cm。

所述热风罩7为长方形出风口，与热风鼓风机连接，固定于送料床5后端上方，热风罩吹出热风温度为100℃。

所述成形模具9为长方体上开口罐体，成形模具9上方设置浆料罐8，底部与微震台装置连接。

所述微震台装置包括振动台11、支撑弹簧12、振动电机14和底板13，振动台11通过多根支撑弹簧12固定于底板13上，振动台11下方与振动电机14连接。

所述振动台11为正方形不锈钢板，厚度为25mm，通过下部连接的16根支撑弹簧12保持其水平，下部中心还安装有振动电机14；

振动电机14采用可调速型偏心转子式交流振动电机，额定功率400W，转速为2860转/分钟。

热风罩7为长方形出风口，与热风鼓风机连接，固定于送料床5后端上方，热风罩吹出热风温度为100℃，用于快速熔化覆蜡秸秆段6表层石蜡，使其能在成形模具9堆积并相互交联。

一种秸秆覆蜡法制备光催化多孔透水砖的方法，包括如下工艺步骤：

（1）将株径为1cm~3cm的秸秆去除侧叶后截断成长度为6cm~10cm的小段；

（2）将滴点为65℃~68℃的石蜡放置于储蜡槽20中熔化，槽内温度保持100℃；

（3）将水泥、河砂、水玻璃（模数为3.0，波美度为30）、短切玻璃纤维丝（长度为5cm）、水泥发泡剂和水按80: 50: 120: 1: 5: 100的质量比投入搅拌机中搅拌均匀，并装入浆料罐8中备用；

（4）将秸秆段3平行放置于送料床5上，开启浆料泵19和振动送料器21，同时开启冷风口4吹冷风，并开启热风罩7向下喷出温度为100℃的热空气，秸秆段2在送料床上滚动前行并多道次包裹石蜡，达到送料床末端位置时其蜡层厚度为8~12mm；

（5）覆蜡秸秆段6在后端热风作用下表层熔化，掉入成形模具9中随机搭接并交联成为空间网状结构，覆蜡秸秆段6堆积高度达到成形模具9设定高度后停止送料，开启浆料罐8底部阀门将混合浆料10灌入成形模具9中，灌浆高度低于秸秆堆积高度1~2cm；

（6）开启振动电机14运行1~2min，使混合浆料10均匀填充入覆蜡秸秆缝隙中；

（7）静置12小时后将砖块从成形模具9中取出，在自然状态下干燥5~7天；

（8）将砖块放入马弗炉中，在100℃保温30min，使其覆蜡层熔化并流出，缓慢升温至400℃保温5小时，使砖块内秸秆完全碳化烧损，然后随炉冷却至常温，即可获得多孔透水砖；

（9）将所制备的多孔透水砖完全浸渍于光催化镀液（成分体积比为：钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸=1:4.5:2:0.6:0.03），并在镀液中进行反复提拉5分钟，取出干燥2小时；反复此操作3~4次，即可获得负载了纳米晶TiO₂光催化膜的多孔透水砖。

实施例

将玉米秸秆（株径1.8cm~2.6cm）作为秸秆原料，采用425号硅酸盐水泥作和建筑用河砂作为基体材料制作生态秸秆砖，应用于太湖地区某生态护坡工程。多孔透水砖的制造和工程应用过程如下：（1）将秸秆去除侧叶后截断成长度为8cm的小段；（2）将滴点为65℃~68℃的石蜡放置于储蜡槽20中熔化，槽内温度保持100℃；（3）将水泥、河砂、水玻璃（模数为3.0，波美度为30）、短切玻璃纤维丝（长度为5cm）、水泥发泡剂和水按80: 50: 120: 1: 5: 100的质量比投入搅拌机中搅拌均匀，并装入浆料罐8中备用；（4）将秸秆段3平行放置于送料床5上，开启浆料泵19和振动送料器21，同时开启冷风口4吹冷风，并开启热风罩7向下喷出温度为100℃的热空气，秸秆段2在送料床上滚动前行并多道次包裹石蜡，达到送料床末端位置时其蜡层平均厚度为10mm；（5）覆蜡秸秆段6在后端热风作用下表层熔化，掉入成形模具9中随机搭接并交联成为空间网状结构，覆蜡秸秆段6堆积高度达到22cm时止送料，开启浆料罐8底部阀门将混合浆料10灌入成形模具9中，灌浆高度低于秸秆堆积高度1~2cm；（4）开启振动电机14运行1~2min，使混合浆料10均匀填充入覆蜡秸秆缝隙中；（5）静置12小时后将砖块从成形模具9中取出，在自然状态下干燥5~7天；（6）将砖块放入马弗炉中，在100℃保温30min，使其覆蜡层熔化并流出，缓慢升温至400℃保温5小时，使砖块内秸秆完全碳化烧损，然后随炉冷却至常温，即可获得多孔透水砖。（7）将所制备的多孔透水砖完全浸渍于光催化镀液（成分体积比为：钛酸乙酯：乙醇：水：二乙醇胺：乙酸=1:4.5:2:0.6:0.03），并在镀液中进行反复提拉5分钟，取出干燥2小时；反复此操作3~4次，即可获得负载了纳米晶TiO₂光催化膜的多孔透水砖。所制备的多孔砖的孔隙率为83%，平均孔径为2.3cm，比表面积为45.3cm^-1，在实际使用中表现出了良好的透水性，护坡建成3个月后，水体的质量也得到了明显的改善。