一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及水环境治理吸附材料，尤其涉及一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、微塑料作为一种新型持久性污染物，广泛存在于各类水体环境中，其粒径小、比表面积大、易吸附富集有毒有害物质，可通过食物链传递对生态系统与人体健康造成潜在威胁。人工湿地是一种低成本、生态友好的水处理技术，其中填料基质是实现微塑料截留与吸附去除的核心组分。

2、目前人工湿地中用于微塑料去除的吸附基质主要分为天然矿石基质、工业副产物基质和人工合成基质三类，其吸附机制包括疏水作用、氢键、范德华力、静电作用、离子键合、络合作用及π-π电子共轭等。其中，碳基吸附剂（如生物炭、活性炭）对微塑料的吸附以疏水作用和π-π电子共轭为主，矿物基质则主要通过离子键合与络合作用实现吸附。

3、现有研究多聚焦于沸石、生物炭等传统填料对微塑料的吸附性能，但这类材料仍存在诸多不足：活性炭、生物炭等碳基填料成本偏高，部分材料机械强度不足，长期在水力冲刷与微生物作用下易粉化流失，使用寿命短；部分矿物填料的改性工艺条件苛刻，能耗高，不利于工业化批量制备。此外，现有湿地填料普遍缺乏针对微米级超细微塑料的适配性设计，常规填料表面吸附活性位点数量有限，对中低浓度水体微塑料的处理效果有待提升。

4、玻璃轻石是一种轻质多孔硅酸盐材料，具有质轻、抗压性好、吸水性强、隔热保温等特点，在环境污染物吸附领域已有初步应用。但原始玻璃轻石表面官能团单一、亲水性较强，对水体中疏水性聚苯乙烯（ps）等微塑料的吸附能力有限，直接作为湿地填料去除微塑料的效果较差，且目前针对玻璃轻石用于水体微塑料吸附的改性研究尚不充分。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料及其制备方法与应用，保留玻璃轻石原有质轻、抗压、适合人工湿地装填的优势，通过改性优化孔隙结构与表面官能团，提升对水体微塑料的吸附去除能力，制备工艺简单，适合作为人工湿地填料处理含微塑料污水。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料，其特征在于，以玻璃轻石为基材，经氢氧化钾碱刻蚀与镁盐浸渍负载改性得到；所述材料表面具有微孔与介孔结构，且表面负载有镁离子活性位点。

4、本发明的进一步改进在于，所述玻璃轻石的粒径为3～5mm。

5、本发明的进一步改进在于，所述镁盐为氯化镁。

6、本发明还提供上述去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7、s1、基材前处理：取玻璃轻石，筛分去除碎渣细粉，经超纯水浸泡冲洗后烘干至恒重，备用；

8、s2、氢氧化钾刻蚀：配制氢氧化钾溶液，将前处理后的玻璃轻石完全浸入溶液中，于恒温水浴振荡条件下进行表面碱刻蚀，碱刻蚀过程中，氢氧化钾溶蚀玻璃轻石表面的硅酸盐组分，刻蚀出微孔与介孔结构，同时使表面硅羟基数量增加，为后续镁离子负载提供结合位点；

9、s3、镁盐浸渍负载：取出碱刻蚀后的玻璃轻石，冲洗后投入镁盐溶液中，常温静置浸渍，完成镁盐负载，在浸渍过程中，镁离子通过与碱刻蚀所产生的表面硅羟基发生离子交换作用而化学结合于材料表面，形成化学键合的si-o-mg结构，使材料表面带有正电位点；

10、s4、超声清洗与烘干：取出负载后的玻璃轻石，经冲洗及超声清洗至流出液ph中性且无残留阴离子后，烘干至恒重，即得所述改性玻璃轻石吸附材料，超声清洗的目的在于去除材料表面物理吸附的游离镁盐及残留阴离子，经离子交换结合于表面硅羟基上的镁离子结合牢固，在间歇超声条件下不易被洗脱。

11、本发明的进一步改进在于，步骤s1中，超纯水浸泡冲洗时间为24h，烘干温度为100～110℃。

12、本发明的进一步改进在于，步骤s2中，氢氧化钾溶液浓度为10g/l，玻璃轻石与氢氧化钾溶液的固液比为1g:10ml；恒温水浴温度为55～70℃，振荡转速为150rpm，反应时间为48h。

13、本发明的进一步改进在于，所述镁盐为氯化镁，镁盐溶液浓度为0.5～1g/l，浸渍时间为12～24h，玻璃轻石与镁盐溶液的固液比为1g:10ml。

14、本发明的进一步改进在于，步骤s4中，超声清洗功率为200～250w，采用间歇超声方式，每次超声2min，更换超纯水重复超声操作，直至流出液ph稳定在6.8～7.2且检测不到氯离子；烘干温度为100～110℃

15、本发明还提供上述去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料在人工湿地去除水体微塑料中的应用。

16、本发明的进一步改进在于，将所述改性玻璃轻石吸附材料作为填料填充于垂直潜流人工湿地中，含微塑料污水自上而下流经填料层，填料层堆积形成的孔隙通道对微塑料颗粒产生过滤附着效应，使颗粒通过布朗扩散、惯性碰撞等作用附着于填料表面及孔隙内部；材料表面的镁离子活性位点带正电，可通过静电作用吸附水体中带负电的微塑料颗粒；同时，表面镁离子还可通过离子键合与络合作用与微塑料表面的官能团发生相互作用。

17、本发明的有益效果为：

18、1、本发明在保留玻璃轻石质轻、抗压性好、适合湿地装填等固有优势的基础上，通过双步改性显著提升了对μm级ps微塑料的吸附去除能力；材料机械强度高，长期水力冲刷下不易粉化流失，使用寿命长。

19、2、本发明制备工艺条件温和，无需高温高压等苛刻条件，操作流程简单，易于工业化批量制备；基材成本低廉，整体处理成本显著低于活性炭、生物炭等传统吸附填料。

20、3、本发明针对低浓度水体微塑料污染具有良好的处理效果，适合作为人工湿地专用填料用于微塑料污染水体的深度处理。

1.一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料，其特征在于，以玻璃轻石为基材，经氢氧化钾碱刻蚀与镁盐浸渍负载改性得到；所述材料表面具有微孔与介孔结构，且表面负载有镁离子活性位点。

2.根据权利要求1所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料，其特征在于，所述玻璃轻石的粒径为3～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料，其特征在于，所述镁盐为氯化镁。

4.一种如权利要求1～3中任一项所述的去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，超纯水浸泡冲洗时间为24h，烘干温度为100～110℃。

6.根据权利要求4所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，氢氧化钾溶液浓度为10g/l，玻璃轻石与氢氧化钾溶液的固液比为1g:10ml；恒温水浴温度为55～70℃，振荡转速为150rpm，反应时间为48h。

7.根据权利要求4所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，所述镁盐为氯化镁，镁盐溶液浓度为0.5～1g/l，浸渍时间为12～24h，玻璃轻石与镁盐溶液的固液比为1g:10ml。

8.根据权利要求4所述的一种去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，超声清洗功率为200～250w，采用间歇超声方式，每次超声2min，更换超纯水重复超声操作，直至流出液ph稳定在6.8～7.2且检测不到氯离子；烘干温度为100～110℃。

9.一种如权利要求1～3中任一项所述的去除水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料在人工湿地去除水体微塑料中的应用。

10.根据权利要求9所述的一种去除 水体微塑料的改性玻璃轻石吸附材料的应用，其特征在于，将所述改性玻璃轻石吸附材料作为填料填充于垂直潜流人工湿地中，含微塑料污水自上而下流经填料层。