植物仿生修复滤芯的制备方法与流程

本发明属于土壤修复技术领域，具体设计一种植物仿生修复滤芯的制备方法。

背景技术：

近年来随着我国工农业的生产和乡镇企业及农村城镇化的迅速发展，土壤环境污染问题己越来越严重，特别是农田土壤污染形势日趋严峻。有资料表明，全国仅受重金属污染的耕地多达2000万公顷，受各种有机污染物或化学品污染农田总计6000多万公顷。土壤环境质量直接关系到农产品的安全。

基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置通过模拟植物毛细现象和蒸腾作用，提供了一种污染土壤原位自持修复装置及采用该装置进行土壤修复的方法。该修复技术克服了现有技术(物理修复、化学修复、生物修复和综合修复等几大类)存在的不足；针对污染土壤(重金属，有机物污染等)的复合性、隐蔽(潜伏)性、不可逆性、蓄积性和修复的长期性等特点，突破了治理措施与修复技术的局限性的制约因素。基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置主要包括：主体、填料、蒸发器和配件等组件。其中蒸发器是该装置组件的重要核心部分，其作用主要是通过利用毛细现象和蒸腾作用来带动土壤中的污染物迁移。目前蒸发器的填料以玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维为主。

目前，植物仿生修复存在生产工艺复杂、玻璃纤维加工困难、填料后处理复杂、重金属离子无法回收利用等问题，针对于上述问题，本发明用滤芯代替蒸发器和填料，简化了生产工艺；用改性纤维代替填料，减少植物仿生修复装置质量，同时可将重金属进行回收利用，减小二次污染的可能性，同时改性纤维可重复利用，低碳环保；将光催化剂负载纤维作为滤芯主体，可直接催化氧化有机污染，将极大的扩大了植物仿生修复装置的应用范围。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供一种工艺简单、适用范围广、重复利用性强的用于土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法。

本发明提供一种用于土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法包括重金属螯合纤维的制备方法、光催化剂负载纤维及植物仿生修复装置滤芯的制备方法。

本发明提供一种用于土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法包括重金属螯合纤维(用于螯合重金属的纤维)的制备方法、光催化剂负载纤维及植物仿生修复装置滤芯的制备方法。

可选的，所述重金属螯合纤维的制备方法包括以下步骤：

S1：用50质量份乙二醇和水以体积比1:1-1:3的混合液作为反应溶剂,加入1质量份碳酸钠、3质量份对甲基苯磺酰胺在90－120℃油浴加热搅拌，溶解后加入1-2质量份腈纶纤维，加热2-4h；

S2：清水洗净后，在烘箱中以40-60℃的温度加热5-8小时至恒重，得到重金属螯合纤维；

可选的，所述光催化剂负载纤维的制备方法包括以下步骤：

A1：将纤维置于去离子水中超声清洗20-40min，取出烘干,将置于10-20wt％的C₂H₄OH(醇液)中超声清洗20-40min,再用去离子水将高硅氧玻璃纤维超声清洗三次，每次20-40min，取出烘干,放置在干燥器中备用。

A2：将摩尔比为1:0.2:4-1:0.3:6的金属氧化物光催化剂的前驱体、二乙醇胺(抑制剂)、无水乙醇形成混合液A,搅拌15-30min；

A3:取去离子水、无水乙醇和稀土硝酸盐组成混合液B，取去离子水：无水乙醇的体积比为1:10；

A4:将混合液B逐滴加入到混合液A中，混合液A和混合液B的体积比为(1-3)：(3-4)，搅拌0.4-1h得到透明溶胶；将溶胶于室温下进行陈化一段时间，得到稳定、均匀的溶胶，其中稀土元素与光催化剂前驱体中金属的摩尔比为(1-5):100；

A5:以步骤A1纤维为载体，以步骤A4的透明溶胶的挂膜液，采用浸渍一提拉法制备纳米光催化剂薄膜,提拉速率为4-6mm/s，室温下晾干，置于烘箱50-80℃下干燥；

A6:将步骤A5干燥后的纤维置于马弗炉中，升温至400-600℃，锻烧3.5-6h，冷却至室温，完成一次涂覆；

重复上述步骤A5-A6，反复涂覆4-7层，即可得到光催化剂负载纤维。

可选的，所述光催化剂优选为二氧化钛或/和二氧化锆，光催化剂前驱体优选自钛酸酯或/和锆酸酯。

稀土元素的硝酸盐可选择硝酸镝等。

可选的，所述土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法包括以下步骤。

B1:称取长度为30～60cm的光催化剂负载纤维束80-120g,作为滤芯的主体部分；

B2：在滤芯主体表面一端开始均匀捆一层重金属螯合纤维，重金属螯合纤维层沿滤芯主体轴向长度为20-40cm,重金属螯合纤维层厚度为2-3cm，此端作为滤芯底端，另一端为顶端；即可得到植物修复装置滤芯。

进一步优选：还包括B3：未被覆盖的滤芯主体顶端加工疏松的带孔的结构；如图1、图2或图3。

优选：

光催化剂负载纤维可选用光催化剂负载高硅氧玻璃纤维、光催化剂改性碳纤维丝、光催化剂改性异形纤维、光催化剂改性亲水导湿型聚酯纤维等。

步骤A1纤维选自高硅氧玻璃纤维、碳纤维、异形纤维、亲水导湿型聚酯纤维等

进一步优选：步骤B2均匀捆一层重金属螯合纤维时，可在重金属螯合纤维中添加亲水性纤维进一步提高重金属螯合纤维层的亲水性而增加效果。

本发明的优点：采用本发明的技术方案有效的增加了修复效果，并扩大了应用范围。

附图说明

图1、2、3分别对应的滤芯主体顶端加工的不同的疏松的带孔的结构。

图4基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置

A为装置的滤芯，B为装置主体，C为渗透膜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实例1

本实施例提供的一种用于土壤污染修复滤芯的的制备方法，其中

金属螯合纤维(用于螯合重金属的纤维)的制备方法：

S1：用50份乙二醇和水以体积比1:1的混合液作为反应溶剂,加入1份碳酸钠、3份对甲基苯磺酰胺在90℃油浴加热搅拌，溶解后加入1.5份腈纶纤维，加热3h；

S2：清水洗净后，在烘箱中以50℃的温度加热8小时至恒重，得到改性腈纶纤维；

可选的，所述光催化剂负载高硅氧玻璃纤维的制备方法包括以下步骤：

A1：将剪裁高硅氧玻璃纤维置于去离子水中超声清洗20-40min，取出烘干,将置于20％的C₂H₄OH(醇液)中超声清洗20min,再用去离子水将高硅氧玻璃纤维超声清洗三次，每次20min，取出烘干,放置在干燥器中备用。

A2：将体积比为1:0.3:4-的钛酸丁酯、二乙醇胺(抑制剂)、无水乙醇形成混合液A,置于三角烧瓶中剧烈搅拌20min；

A3:取去离子水、无水乙醇和硝酸镝组成混合液B，取去离子水：无水乙醇的体积比为1:10；

A4:将混合液B逐滴加入到混合液A中，混合液A和混合液B的体积比为1:3，搅拌0.4-1h得到透明溶胶；将溶胶于室温下进行陈化一段时间，得到稳定、均匀的溶胶，其中镝与钛的摩尔比为1.5:100；

A5:以高硅氧玻璃纤维为载体，采用浸渍一提拉法制备纳米二氧化钦薄膜,提拉速率为4mm/s，将湿膜室温下晾干，置于烘箱70℃下干燥；

A6:将干燥后的编织体置于马弗炉中，升至550℃，锻烧4h，冷却至室温，完成一次涂覆。

重复上述步骤，反复涂覆5层，即可得到光催化剂负载高硅氧玻璃纤维。所述土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法包括以下步骤。

B1:称取长度为50cm的光催化剂负载高硅氧玻璃纤维束120g,作为滤芯的主体部分；

B2：在滤芯主体表面一端开始均匀绕捆一层金属螯合纤维，金属螯合纤维层长度为40cm,厚度为3cm，此端作为滤芯底端，另一端为顶端；

B3：滤芯主体顶端未被金属螯合纤维层覆盖的玻璃纤维加工疏松的形状如图1；

B4：即可得到植物修复装置滤芯。

实例2

本实施例提供的一种用于土壤污染修复滤芯的的制备方法，其中

金属螯合纤维的制备：

S1：用50份乙二醇和水以体积比1:2的混合液作为反应溶剂,加入1份碳酸钠、3份对甲基苯磺酰胺在100℃油浴加热搅拌，溶解后加入2份腈纶纤维，加热3h；

S2：清水洗净后，在烘箱中以60℃的温度加热6小时至恒重，得到金属螯合纤维；

所述光催化剂负载高硅氧玻璃纤维的制备方法包括以下步骤：

A1：将剪裁高硅氧玻璃纤维置于去离子水中超声清洗30min，取出烘干,将置于15％的C₂H₄OH(醇液)中超声清洗30min,再用去离子水将高硅氧玻璃纤维超声清洗三次，每次20min，取出烘干,放置在干燥器中备用。

A2：将体积比为1:0.5:4的钛酸丁酯、二乙醇胺(抑制剂)、无水乙醇形成混合液A,置于三角烧瓶中剧烈搅拌20min；

A3:取去离子水、无水乙醇和硝酸镝组成混合液B，取去离子水：无水乙醇的体积比为1:10；

A4:将混合液B逐滴加入到混合液A中，混合液A和混合液B的体积比为1:3，搅拌1h得到透明溶胶；将溶胶于室温下进行陈化一段时间，得到稳定、均匀的溶胶，其中镝与钛的摩尔比为2:100；

A5:以高硅氧玻璃纤维为载体，采用浸渍一提拉法制备纳米二氧化钦薄膜,提拉速率为6mm/s，将湿膜室温下晾干，置于烘箱65℃下干燥；

A6:将干燥后的编织体置于马弗炉中，以一定的速率升至600℃，锻烧3.5h，冷却至室温，完成一次涂覆。重复上述步骤，反复涂覆4层，即可得到光催化剂负载高硅氧玻璃纤维。

可选的，所述土壤污染植物仿生修复装置的滤芯的制备方法包括以下步骤。

B1:称取长度为30cm的光催化剂负载高硅氧玻璃纤维束120g,作为滤芯的主体部分；

B2：在滤芯主体表面靠近一端均匀绕捆一层金属螯合纤维，金属螯合纤维层长度25cm,金属螯合纤维层厚度1cm，此端作为滤芯底端，另一端为顶端；

B3：滤芯主体顶端未被金属螯合纤维层覆盖的玻璃纤维加工疏松的形状如图2；

B4：即可得到植物修复装置滤芯

实施例3

将实施例1的钛酸酯替换为锆酸酯。

应用1

本发明以上实施例1提供的一种用于重金属土壤污染修复的植物仿生修复装置滤芯具体如下：

分别配置一系列不同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺溶液作为工作液，分别量取500ml置于1000ml烧杯中，将载有滤芯植物仿生修复装置分别加入到已经添加Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺污染工作液的烧杯中，用保鲜膜密封，置于摇床内恒温低速震荡3h，取上层清液，用原子吸收分光光度计测定溶液中Cd2+、Pb2+和Cu2+浓度，根据工作液中重金属离子浓度的前后浓度差计算滤芯吸附量；

结果显示：滤芯对溶液中重金属离子镉离子Cd²⁺，铅离子Pb²⁺和铜离子Cu²⁺的污染均具有良好的吸附效果，其饱和吸附量约为：镉离子Cd²⁺为0.304mmol/g，铅离子Pb²⁺为0.550mmol/g，和铜离子Cu²⁺为0.759mmol/g。

将滤芯置于去离子水中于85kHz下超声波超声30min，用火焰分光度计检测清洗液中重金属的含量，计算出清洗液重金属的摩尔量，换算出回收率：镉离子Cd²⁺回收率84％，铅离子Pb²⁺回收率87％，铜离子Cu²⁺回收率为90％。

应用2

本发明以上实施例3提供的一种用于土壤污染修复的纳米二氧化锆光催化剂负载的高硅氧玻璃纤维的制备方法得到的光催化剂负载的高硅氧玻璃纤维可应用在光催化降解染料活性红(B-2BF)上，具体如下：太阳光光催化：将滤芯安装于基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置，反应装置如图4所示，其中：A为装置的滤芯，B为装置主体，C为渗透膜，取基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置10根(φ32mm×50cm)，将它们安装于反应池中接收太阳光的照射，光强为100000lx，反应池中活性红(B-2BF)染料溶液的浓度为100mg/L，反应液温度为25±2℃，经过24h反应溶液颜色褪去93％以上。