一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖及其制备方法与流程

本发明涉及一种人工水草砖及其制备方法，具体涉及一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖及其制备方法，属于污水处理技术领域。

背景技术：

随着经济发展和人口的增加，我国的城市河流湖泊正在遭受着日益严重的污染和破坏。水体污染导致藻类大量繁殖，消耗了水中的溶解氧，破坏了水生植物的生存环境，使得水生植物难于生长，河流的自净能力降低，水体富营养化程度日趋严重。

为提高河流的自净能力，目前常采用人工水草对水体进行生物强化修复，人工水草在水体中主要起两个作用：(1)给水体中的微生物提供挂膜载体，运用生物膜原理吸收和处理水中富营养物质，固定其他有害物质；(2)为水体中生物，如鱼虾贝类提供合适的栖息、产卵场所，保证水体中的生物量，加固水体自净生态系统。这要求人工水草比表面积尽量大，生物相容性尽量好，同时必须韧性好，环境无污染。

目前的人工水草，多以无纺布为草体，通过锚固件固定在绳或袋等常规基体上。这类人工水草存在以下问题：(1)以无纺布作为草体，由于无纺布的表面积小、表面的分散性和亲水性较差，草体易发生缠绕且草体上的挂膜生物量少，人工水草对污染物的吸附性能较差；(2)由于无纺布的耐腐蚀性较差，人工水草在使用一段时间后容易发生腐蚀破败而脱落，可能造成二次污染；(3)在水流的冲击、酸碱污染物的腐蚀、微生物的分解等作用下，绳或袋等常规基体容易发生溶胀、腐蚀等，导致基体上的草体纤维也容易发生脱落；(4)无法起到加固河道和防洪的作用。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖及其制备方法，该制备方法简单，采用该方法制备的人工水草砖的耐腐蚀性和强度高，该人工水草砖中的草体纤维在使用过程中不易脱落，能克服传统人工水草易脱落的问题。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)碳纤维的改性：将碳纤维置于1～5mol/l的氢氧化钠溶液浸泡12～48h，然后将其置于盛有电解液的电解槽中进行电化学改性得改性碳纤维，其中，电解液为nh4hco3和(nh4)2c2o4·h2o按摩尔比为1:(1～4)混合配制而成，电解时间为5～120min，电流强度为200～1800ma；

(2)固定基座的制备：称取质量比为1:(1～10)的耐腐蚀树脂和固化剂，放入制砖模具中混合均匀，在10～50℃下养护1～3天；

(3)人工水草砖的制备：在固化时间为2～20h，固定基座成为软化果冻状态时，将若干束改性碳纤维均匀插入至固定基座的底部，待固定基座完全固化后得人工水草砖。

作为优选方案，所述耐腐蚀树脂为呋喃树脂。

作为优选方案，所述固化剂为氨基磺酸、硫酸乙酯、对甲苯磺酸中的任意一种。

作为优选方案，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，碳纤维强度为1000～1800mpa，模量为100～200gpa。

一种采用上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维人工水草砖，所述人工水草砖包括固定基座和固定在固定基座上的若干束改性碳纤维。

作为优选方案，所述固定基座的高度与固定基座上方的改性碳纤维的高度比为1:(3～10)。

作为优选方案，所述固定基座的形状为长方体、圆柱体、正六边柱体中的任意一种。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

(1)本发明以高吸附性的碳纤维作为挂膜载体，通过电化学氧化的方法对碳纤维进行改性，提高了碳纤维的分散性和亲水性，碳纤维不易发生缠绕且更易于污染物的吸附和生物膜的附着。

(2)本发明采用耐腐蚀树脂和固化剂的固化反应将改性碳纤维牢牢固定于固定基座上，克服了传统人工水草使用过程中容易发生脱落的问题。

(3)本发明制备方法简单，制备的人工水草砖耐腐蚀性好，强度高，使用简便，使用寿命长，此外，在原位净化污水的同时，还兼具加固河道、防洪防汛的作用，适用于受污染的湖泊、河流的原位水体修复及边坡加固。

附图说明

图1是本发明实施例1和实施例2中人工水草砖的结构示意图；

图2是本发明实施例1和实施例2中人工水草砖的结构示意图；

图3是本发明实施例3中人工水草砖的结构示意图；

图4是本发明实施例3中人工水草砖的结构示意图；

附图标记：

1.固定基座2.改性碳纤维

具体实施方式

下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1：

一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)剪取聚丙烯腈基碳纤维(碳纤维强度为1000mpa，模量为100gpa)30段，每段长12cm；将碳纤维放入1mol/l的氢氧化钠溶液浸泡24h，然后将其置于盛有电解液的电解槽中进行电化学改性得改性碳纤维，其中，电解液为nh4hco3和(nh4)2c2o4·h2o按摩尔比为1:1混合配制而成，电解时间为30min，电流强度为600ma；

(2)称取质量比为1:3的呋喃树脂和氨基磺酸，放入直径为6cm、高度为2cm圆柱体制砖模具中混合均匀，在20℃下养护2天得到固化的固定基座；其中，在固化时间为12h，固定基座成为软化果冻状态时，将5段改性碳纤维均匀插入至固定基座的底部，待固定基座完全固化后得到6个耐腐蚀碳纤维人工水草砖。

采用上述制备方法制备得到的一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖，如图1和图2所示，包括固定基座和固定在固定基座上的5束改性碳纤维，其中，固定基座为直径为6cm、高度为1.7cm的圆柱体，固定基座上方碳纤维的高度为10.3cm。

对上述制备得到的耐腐蚀碳纤维人工水草砖分别进行溶胀比的测定(实验方法参照gb-t11991-2008离子交换树脂转型膨胀率测定方法)、挂膜生物量的测定(实验方法参照(马兆昆等，功能材料，2003，5:592-594))、染料废水等温吸附实验(实验方法参照(李圣标，活性碳纤维的低成本制备及其在染料污水净化中的应用[d]，安徽工业大学，2016，24-25))。

溶胀比的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的溶胀比均在0～0.07％范围内，且固定的碳纤维束均未松动、脱落，这说明制备的碳纤维人工水草砖具有良好的耐腐蚀性。

挂膜生物量的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的最大挂膜生物量为0.6584g(生物膜干重)/g(碳纤维干重)，高于聚氨酯、改性聚丙烯纤维、pan基碳纤维、改性pan基碳纤维等载体的挂膜生物量(0.0013～0.5216g/g)(马兆昆等，功能材料，2003，5:592-594)；这说明制备的耐腐蚀碳纤维人工水草砖更易于污染物的吸附和生物膜的附着。

染料废水等温吸附实验结果表明，当染料溶液初始浓度为5mg/l时，耐腐蚀碳纤维人工水草砖对结晶紫、酸性品红、甲基橙的最大吸附量为2225.73mg/g、1257.22mg/g、1440.87mg/g；高于报道的若干活性碳纤维材料对甲基橙的吸附量(110.2～697.1mg/g)(李圣标，活性碳纤维的低成本制备及其在染料污水净化中的应用[d]，安徽工业大学，2016，24-25)；这说明制备的耐腐蚀碳纤维人工水草砖对染料废水具有优异的吸附性能。

实施例2：

一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)剪取聚丙烯腈基碳纤维(碳纤维强度为1800mpa，模量为200gpa)30段，每段长12cm；将碳纤维放入5mol/l的氢氧化钠溶液浸泡48h，然后将其置于盛有电解液的电解槽中进行电化学改性得改性碳纤维，其中，电解液为nh4hco3和(nh4)2c2o4·h2o按摩尔比为1:4混合配制而成，电解时间为120min，电流强度为1800ma；

(2)称取质量比为1:10的呋喃树脂和硫酸乙酯，放入直径为6cm、高度为2cm圆柱体制砖模具中混合均匀，在40℃养护1天得到固化的固定基座；其中，在固化时间为2h，固定基座成为软化果冻状态时，将5段改性碳纤维均匀插入至固定基座的底部，待固定基座完全固化后得到6个耐腐蚀碳纤维人工水草砖。

采用上述制备方法制备得到的一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖，如图1和图2所示，包括固定基座和固定在固定基座上的5束改性碳纤维，其中，固定基座为直径为6cm、高度为1.7cm的圆柱体，固定基座上方碳纤维的高度为10.3cm。

采用与实施例1相同的方法对上述制备得到的耐腐蚀碳纤维人工水草砖分别进行溶胀比的测定、挂膜生物量的测定、染料废水等温吸附实验。溶胀比的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的溶胀比均在0～0.03％范围内；挂膜生物量的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的最大挂膜生物量为0.7232g(生物膜干重)/g(碳纤维干重)；染料废水等温吸附实验结果表明，当染料溶液初始浓度为5mg/l时，耐腐蚀碳纤维人工水草砖对结晶紫、酸性品红、甲基橙的最大吸附量为2548.21mg/g、1871.79mg/g、1737.26mg/g。

实施例3：

一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)剪取聚丙烯腈基碳纤维30段(碳纤维强度为1500mpa，模量为150gpa)，每段长7cm；将碳纤维放入3mol/l的氢氧化钠溶液浸泡12h，然后将其置于盛有电解液的电解槽中进行电化学改性得改性碳纤维，其中，nh4hco3和(nh4)2c2o4·h2o按摩尔比为1:2混合配制而成，电解时间为10min，电流强度为300ma；

(2)称取质量比为1:6的呋喃树脂和对甲苯磺酸，放入长度为5cm、宽度为2.5cm、高度为1.2cm的长方体制砖模具中混合均匀，在30℃养护1天得到固化的固定基座，其中；在固化时间为5h，固定基座成为软化果冻状态时，在固定基座上均匀插入5段长为11cm的改性碳纤维，待固定基座完全固化后得到6个耐腐蚀碳纤维人工水草砖。

采用上述制备方法制备得到的一种耐腐蚀碳纤维人工水草砖，如图3和图4所示，包括固定基座和固定在固定基座上的5束改性碳纤维，其中，固定基座为长度为5cm、宽度为2.5cm、高度为1cm的长方体，固定基座上方碳纤维的高度为6cm。

采用与实施例1相同的方法对上述制备得到的耐腐蚀碳纤维人工水草砖分别进行溶胀比的测定、挂膜生物量的测定、染料废水等温吸附实验，溶胀比的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的溶胀比均在0～0.04％范围内；挂膜生物量的测定结果表明，耐腐蚀碳纤维人工水草砖的最大挂膜生物量为0.6279g(生物膜干重)/g(碳纤维干重)；染料废水等温吸附实验结果表明，当染料溶液初始浓度为5mg/l时，耐腐蚀碳纤维人工水草砖对结晶紫、酸性品红、甲基橙的最大吸附量为2049.53mg/g、1208.45mg/g、1618.30mg/g。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。