一种高效净水的复合海绵材料及其制备与应用

本发明涉及污水和雨水处理，具体为一种高效净水的复合海绵材料及其制备与应用。

背景技术：

1、随着城市化进程的不断加快，城市的过度开发建设会导致下垫面过度硬化，在加速降雨产生汇流的同时，也加大了降雨径流量和汇流峰值，城市内涝风险和降雨径流污染风险显著提升。建设能够实现自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市可以有效改善这一问题，利用海绵材料对于雨水的吸纳、蓄滞和缓释作用，从而降低城市雨水内涝风险，缓解降雨径流污染，同时实现雨污资源的综合利用。

2、利用海绵材料良好的渗蓄水性能可有效减少城市地表径流，减轻排水设施负担，缓解城市内涝。前期开发的海绵材料主要为透水路面砖、透水混凝土、透水沥青等，这些属于硬质材料，其透水性好但储水性较差，且易堵塞影响渗透性。虽然对雨水地表径流有所改善，但面对城市强降雨或者梅雨季节，无法从根本上解决雨水径流污染和城市内涝问题。因此，有必要进一步研发可用来降低城市内涝与降雨径流污染风险的新型海绵材料。

3、多孔纤维棉依靠自身吸蓄水性能好、孔隙率较高、力学性能优异等特点，能够代替硬质透水材料用于海绵城市的建设，有效实现雨水的渗透与蓄滞，但地表径流中污染物浓度通常超出地表水排放标准，单独依靠多孔纤维棉吸附渗透难以将雨水中的污染物高效去除；同时由于现有的硬质海绵铺装材料储水性差，而且容易堵塞，影响雨水的渗透，对于形成的径流污染的问题也无法有效地解决，尽管单独的多孔纤维海绵材料渗蓄水功能有所提高，但净水功能不足，仍然无法满足城市污水和雨水的达标排放需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高效净水的复合海绵材料及其制备与应用，通过在多孔纤维棉上负载高吸附活性的活性炭以及高活性的微生物制备新型的复合海绵材料，并将其应用于海绵城市的建设中实现雨水有效渗滞蓄净，解决城市内涝与地表径流污染的问题，并推动城市雨污协同资源化利用。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供的一种高效净水的复合海绵材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：将活性炭进行研磨筛分，留用粒径在50～200目的活性炭，然后用酸清洗至ph值恒定，去除活性炭中的油脂、重金属以及除去多余的灰分，后在烘箱内105℃烘干至恒重，得到酸洗之后的活性炭；

5、s2：对步骤s1中酸洗之后的活性炭进行物理或化学改性；改性后用去离子水清洗活性炭至ph值为中性，后在烘箱内105℃烘干至恒重，得到改性活性炭；

6、s3：将步骤s2中改性活性炭和多孔纤维棉基质浸泡在一定浓度的胶粘剂中反应结合，使改性活性炭负载于多孔纤维棉表面及内部，然后用去离子水清洗多余胶粘剂，后放至烘箱内105℃烘干至恒重；

7、s4：将微生物进行驯化培养，然后将步骤s3中制备的结合活性炭的多孔纤维棉作为载体负载微生物，形成具有净水功能的复合海绵材料，用于处理城市污水和雨水。

8、优选的，在所述步骤s1中，所述活性炭为椰壳炭、稻壳炭和秸秆炭中的一种或多种，且所述活性炭比表面积为600～2000m2/g，其中＜2nm的微孔占活性炭孔径分布的90％以上；酸洗液为1mol/l的hcl、h2so4、hno3中的至少一种。

9、优选的，在所述步骤s2中，改性活性炭的物理方法为高温热处理改性、微波辐射改性、超声波改性中的一种或多种；改性活性炭的化学方法为氧化改性、还原改性、酸性改性、碱性改性中的一种或多种。

10、优选的，所述化学改性剂浓度为0.5～5mol/l，改性时间为4～24h；氧化改性选用kmno4、mno2、h2o2、臭氧中的一种或多种作为改性剂；还原改性选用h2、n2中的一种或多种作为改性剂；酸性改性选用h2so4、h3po4、hclo、hno3中的一种或多种作为改性剂；碱性改性选用naoh、koh、氨水中的一种或多种作为改性剂。

11、优选的，在所述步骤s3中，所述多孔纤维棉基质为白云石、玄武岩为原料制备的岩棉、矿棉、生态多孔纤维棉中的一种或多种，其孔隙率≥90％，质量吸水率为800％～1500％，保水率为50％～95％，透水系数为0.3～1.0cm/s。

12、优选的，在所述步骤s3中，胶粘剂为有机、无机、有机-无机复合胶粘剂中的一种或多种，胶粘剂浓度为1wt％～10wt％。

13、优选的，所述有机胶粘剂为壳聚糖、木质素、丹宁、聚氨酯、聚乙烯醇、硅丙乳液、环氧树脂中的一种或多种，所述无机胶粘剂为硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐中的一种或多种，所述有机-无机复合胶粘剂为羧甲基纤维素钠-硝酸铝、壳聚糖-tio2分散液中的一种或多种。

14、优选的，在所述步骤s3中，改性活性炭、多孔纤维棉基质在胶粘剂中的浸泡反应温度为40～70℃，反应时间为1～12h，反应中搅拌转速为400～2000r/min。

15、优选的，在所述步骤s4中，微生物浓度为1500～4000mg/l，水力停留时间为5～20h。

16、本发明还提供了一种高效净水的复合海绵材料，采用上述的制备方法所制备。

17、本发明还提供了一种上述高效净水的复合海绵材料在海绵城市建设中用于处理城市污水和雨水的应用。

18、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

19、1、本发明制备的高效净水复合海绵材料，易于活性炭的固定与微生物的挂膜，易于实现对水体中污染物的吸附降解去除。

20、2、本发明制备的高效净水复合海绵材料，以活性炭吸附的污染物为能源来供养微生物的生长，同时可利用微生物来实现活性炭的生物再生，提高活性炭的饱和吸附量。

21、3、本发明利用多孔纤维棉-改性活性炭-微生物的协同作用，使复合海绵材料有效存蓄水缓解城市内涝的同时，也能高效降解污染物降低地表径流污染的风险。

22、4、本发明制备的高效净水复合海绵材料，将活性炭吸附去除污染物与微生物降解相结合，更高效节能经济。

技术特征：

1.一种高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤s1中，所述活性炭为椰壳炭、稻壳炭和秸秆炭中的一种或多种，且所述活性炭比表面积为600～2000m2/g，其中＜2nm的微孔占活性炭孔径分布的90％以上；酸洗液为1mol/l的hcl、h2so4、hno3中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤s2中，改性活性炭的物理方法为高温热处理改性、微波辐射改性、超声波改性中的一种或多种；改性活性炭的化学方法为氧化改性、还原改性、酸性改性、碱性改性中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的复合海绵材料中活性炭的改性方法，其特征在于：所述化学改性剂浓度为0.5～5mol/l，改性时间为4～24h；氧化改性选用kmno4、mno2、h2o2、臭氧中的一种或多种作为改性剂；还原改性选用h2、n2中的一种或多种作为改性剂；酸性改性选用h2so4、h3po4、hclo、hno3中的一种或多种作为改性剂；碱性改性选用naoh、koh、氨水中的一种或多种作为改性剂。

5.根据权利要求1所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤s3中，多孔纤维棉基质为白云石、玄武岩为原料制备的岩棉、矿棉、生态多孔纤维棉中的一种或多种，其孔隙率≥90％，质量吸水率为800％～1500％，保水率为50％～95％，透水系数为0.3～1.0cm/s。

6.根据权利要求1所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤s3中，胶粘剂为有机、无机、有机-无机复合胶粘剂中的一种或多种，胶粘剂浓度为1wt％～10wt％；改性活性炭、多孔纤维棉基质在胶粘剂中的浸泡反应温度为40～70℃，反应时间为1～12h，反应中搅拌转速为400～2000r/min。

7.根据权利要求6所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：所述有机胶粘剂为壳聚糖、木质素、丹宁、聚氨酯、聚乙烯醇、硅丙乳液、环氧树脂中的一种或多种；所述无机胶粘剂为硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐中的一种或多种；所述有机-无机复合胶粘剂为羧甲基纤维素钠-硝酸铝、壳聚糖-tio2分散液中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的高效净水的复合海绵材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤s4中，微生物浓度为1500～4000mg/l，水力停留时间为5～20h。

9.一种高效净水的复合海绵材料，其特征在于：采用权利要求1～8任意一项所述的制备方法所制备。

10.一种权利要求9所述的高效净水的复合海绵材料在海绵城市建设中处理城市污水和雨水的应用。

技术总结
本发明公开了一种高效净水的复合海绵材料及其制备与应用，涉及污水和雨水处理技术领域。本发明制备的高效净水复合海绵材料，易于活性炭的固定与微生物的挂膜，易于实现对水体中污染物的吸附和降解去除；本发明制备的高效净水复合海绵材料，以活性炭吸附的污染物为能源来供养微生物的生长，同时可利用微生物来实现活性炭的生物再生，提高活性炭的饱和吸附量；本发明利用改性无机纤维海绵材料有效存蓄水缓解城市内涝的同时，也能高效降解污染物降低地表径流污染的风险；本发明制备的高效净水复合海绵材料，将活性炭吸附去除污染物与微生物降解相结合，更高效节能经济。

技术研发人员：任静,赵华倩,李剑锋,吴海滨,赵华章
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21