一种导电的聚氨酯生物填料及其制备方法与流程

1.本发明属于废水废气净化领域，具体涉及一种导电的聚氨酯生物填料及其制备方法。


背景技术：

2.目前，我国的水环境、大气环境污染问题严重，在众多治理方法中，生物法因为其二次污染小，去除效率高，经济成本低，操作简单等优点脱颖而出。生物填料作为生物法的一个重要组分，也越来越受到人们的关注。
3.生物填料作为微生物附着生长以及物质传递的载体，在生物膜处理废水废气等领域起着关键作用。作为供微生物生长的栖息场所，其物理性质直接影响微生物的繁殖能力和活性。首先，生物填料要具备无毒的特点，它不能抑制微生物的生长和活性。其次，比表面积和孔隙率要大，以便于更好供微生物附着。最后，还要具有一定的亲水性、生物亲和性以及稳定性。生物填料可分为导电填料和非导电填料，并非所有生物填料都要具有导电性，但导电填料可以作为生物法和其他处理技术结合的桥梁。现有技术中，导电填料通常由铁碳制成，但是铁碳填料容易氧化，且它的比表面积和孔隙率都不够。聚氨酯填料一般是不需要具备导电性的，当与其他技术耦合时则需要考虑其导电性。
4.聚氨酯填料有着独特的空间结构，它的比表面积大，可以支持大量微生物的附着生长。且聚氨酯填料的化学稳定性好，它不会在微生物降解污染物的过程中释放出有害物质影响微生物活性，也不会参与微生物的反应。聚氨酯填料还具有一定的耐腐蚀性，具有较长的使用寿命。
5.cn201510367370公开了“一种改性聚氨酯悬浮填料、制备方法及其应用”，它提供了一种改性聚氨酯悬浮填料的制备方法及应用。该法制得的填料具有一定的孔隙率、比表面积以及污水净化效果，但是其微生物附着效果还不够且填料不具导电性。陈芳在2011年发表的题为《聚苯胺/聚氨酯导电海绵的制备及其应用研究》中，以聚氨酯海绵为载体，通过原位化学氧化法在海绵上均匀负载聚苯胺，制得聚苯胺/聚氨酯导电海绵复合物。该材料具有较好的导电性，在吸附还原金属离子方面有着很好的应用前景，但是对微生物的亲和性不强，有抗菌性，不适合作为微生物填料。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术中导电生物填料存在的比表面积、孔隙率不够，吸附性能不佳，挂膜速度慢的问题，本发明提供一种导电的聚氨酯生物填料，其有着较高的比表面积和孔隙率，具有导电性且原料来源广，制备方法也较简单；同时也提供上述导电的聚氨酯生物填料的制备方法。本发明的技术方案如下：
7.一种导电的聚氨酯生物填料，其由质量分数分别为40
‑
50％聚醚多元醇，0.3
‑
0.6％链增长剂，1
‑
3％发泡剂，0.3
‑
0.5％匀泡剂，5
‑
6％催化剂，18
‑
25％异氰酸酯，10
‑
20％生物炭粉末和10
‑
20％铁粉末组成。进一步，该导电的聚氨酯生物填料，其密度为0.85
‑
0.93g/cm3，孔径为1
‑
3mm，规格为3
×3×
3cm，电阻为230
‑
300ω，比表面积为660
‑
700m2/m3，孔隙率为71
‑
75％，生物量为27
‑
32g/l。
8.所述聚醚多元醇为聚醚三元醇或聚醚二元醇；所述链增长剂为三乙醇胺；所述发泡剂为水；所述匀泡剂为有机硅；所述催化剂为三乙烯二胺；所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯；
9.所述生物炭粉末的粒径为20
‑
40μm，铁粉末的粒径为30
‑
50μm。在此粒径下，有助于生物炭粉末和金属铁粉末均匀混合，提高二者的分散性，以便生物炭和铁在聚醚多元醇中均匀分散。
10.一种导电的聚氨酯生物填料的制备方法，包括以下步骤：
11.(1)按质量分数分别为40
‑
50％聚醚多元醇，0.3
‑
0.6％链增长剂，1
‑
3％发泡剂，0.3
‑
0.5％匀泡剂，5
‑
6％催化剂，18
‑
25％异氰酸酯，10
‑
20％生物炭和10
‑
20％铁，称取原料；
12.(2)将生物炭和铁研磨成粉末，然后将二者粉末进行充分混合，得到混合物a；
13.(3)将链增长剂加入聚醚多元醇，以500
‑
1200r/min的转速搅拌2min后得到混合物b；
14.(4)将混合物a和b混合，以500
‑
1200r/min的转速搅拌2min；
15.(5)将发泡剂、匀泡剂和催化剂依次顺序加入a和b的混合物，以3000
‑
4000r/min的转速搅拌3min得到混合物c；
16.(6)将异氰酸酯加入混合物c，以800
‑
1400r/min的转速搅拌3min后倒入模具中，在模具中发泡1
‑
2h后取出；
17.(7)将经过发泡的聚氨酯泡沫在100
‑
120℃下熟化20
‑
40min后得到导电的聚氨酯生物填料。
18.所述聚醚多元醇为聚醚三元醇或聚醚二元醇；所述链增长剂为三乙醇胺；所述发泡剂为水；所述匀泡剂为有机硅；所述催化剂为三乙烯二胺；所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯。
19.进一步的，步骤二中将生物炭和铁研磨成粉末的具体要求为生物炭粉末的粒径为20
‑
40μm，铁粉末的粒径为30
‑
50μm。
20.优选地，步骤三到六中的搅拌温度为25
‑
30℃。
21.本发明利用聚氨酯是一种结构独特且具有较高比表面积和孔隙率的材料，生物炭本身对微生物有良好的吸附作用和金属铁有着良好的导电性能，特别提出在聚氨酯填料的制作过程中加入生物炭以及金属铁粉末，可以在保持较高孔隙率以及比表面积的同时，增强其对微生物的吸附性能，具有良好导电性能的铁碳粉末可以附集在聚氨酯上，以提高填料的电子传输能力，增强导电性。
22.本发明的有益效果：本发明以聚醚多元醇、链增长剂、发泡剂、催化剂、匀泡剂、异氰酸酯、生物炭以及金属铁为原料，制备了一种导电的聚氨酯生物填料，该填料的来源广泛，制得的填料密度为0.85
‑
0.93g/cm3，孔径为1
‑
3mm，规格为3
×3×
3cm，电阻为230
‑
300ω，比表面积为660
‑
700m2/m3，孔隙率为71
‑
75％，生物量为27
‑
32g/l，有较高的比表面积和孔隙率，微生物附着量大，挂膜速度快。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
24.实施例1
25.一种导电的聚氨酯生物填料，包括如下重量份的组分：45份聚醚三元醇，0.5份三乙醇胺，3份水，0.5份有机硅，6份三乙烯二胺，20份甲苯二异氰酸酯，15份粒径为20
‑
40μm生物炭粉末，10份粒径为30
‑
50μm铁粉末。
26.上述导电的聚氨酯生物填料的制备方法，包括以下步骤：
27.(1)称取重量分数分别为：45份聚醚三元醇，0.5份三乙醇胺，3份水，0.5份有机硅，6份三乙烯二胺，20份甲苯二异氰酸酯，15份生物炭，10份铁称取原料；
28.(2)将生物炭和铁研磨成粉末，研磨至生物炭粉末粒径为20
‑
40μm，铁粉末粒径为30
‑
50μm，然后将二者粉末进行充分混合，得到混合物a；
29.(3)将三乙醇胺加入聚醚三元醇，以1000r/min的转速搅拌2min后得到混合物b；
30.(4)将混合物a和b混合，以1000r/min的转速搅拌2min；
31.(5)将水、有机硅和三乙烯二胺依次加入a和b的混合物，以4000r/min的转速搅拌3min得到混合物c；
32.(6)将甲苯二异氰酸酯加入混合物c，以950r/min的转速搅拌3min后倒入模具中，让其在模具中发泡1.5h后取出。
33.(7)将经过发泡的甲苯二异氰酸酯泡沫在120℃下熟化35min后得到导电的聚氨酯生物填料。
34.步骤2到6中的搅拌温度为25
‑
30℃。
35.制得的导电的聚氨酯生物填料，经测试其密度为0.90g/cm3，孔径为2mm，规格为3
×3×
3cm，电阻为280ω，比表面积为680m2/m3，孔隙率为73％，生物量为30g/l。
36.实施例2
37.一种导电的聚氨酯生物填料，包括如下重量份的组分：45聚醚二元醇，0.6份三乙醇胺，6份水，0.4份有机硅，5份三乙烯二胺，23份甲苯二异氰酸酯，10份粒径为20
‑
40μm生物炭粉末，10份粒径为30
‑
50μm铁粉末。
38.上述导电的聚氨酯生物填料的制备方法，包括以下步骤：
39.(1)称取重量分数分别为：45份聚醚二元醇，0.6份三乙醇胺，6份水，0.4份有机硅，5份三乙烯二胺，23份甲苯二异氰酸酯，10份生物炭，10份铁称取原料；
40.(2)将生物炭和铁研磨成粉末，研磨至生物炭粉末粒径为20
‑
40μm，铁粉末粒径为30
‑
50μm，然后将二者粉末进行充分混合，得到混合物a；
41.(3)将三乙醇胺加入聚醚二元醇，以800r/min的转速搅拌2min后得到混合物b；
42.(4)将混合物a和b混合，以1000r/min的转速搅拌2min；
43.(5)将水、有机硅和三乙烯二胺依次加入a和b的混合物，以3000r/min的转速搅拌3min得到混合物c；
44.(6)将甲苯二异氰酸酯加入混合物c，以1100r/min的转速搅拌3min后倒入模具中，让其在模具中发泡1.5h后取出。
45.(7)将经过发泡的甲苯二异氰酸酯泡沫在110℃下熟化40min后得到导电的聚氨酯生物填料。
46.步骤2到6中的搅拌温度为25
‑
30℃。
47.制得的导电的聚氨酯生物填料，经测试其密度为0.85g/cm3，孔径为2mm，规格为3
×3×
3cm，电阻为300ω，比表面积为690m2/m3，孔隙率为75％，生物量为32g/l。