一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制作方法

1.本发明涉及水域生态治理技术领域，具体涉及到一种用于营造河床生物多样性的铺设 材料。
技术背景
2.随着城市生态建设步伐的加快和人们对亲水要求的提高，近年人工水体开挖建设速度 加快，水面积规模扩大。人工水体包括公共绿地中的人工湖、住宅小区内的人工水塘和连 接河流的人工溪流。人工水体为提高城市水面积，改善生态环境与提高市民生活质量，都 有积极的作用。但人工水体容易发黑、发臭，其主要原因是在城市中的人工水体的缺少富 有层次的河床生态系统。
3.河床生态系统是指由河湖水体与河床交界面之间存在着的藻类、浮游动物、水生植物、 底栖动物及微生物群体所构成的微型生态系统，它的存在与否对河湖水体的自净能力具有 很大影响。现有技术通过在河床铺设几层粒径不同颗粒改善河床生态系统，在一些情况下 其能有效改善改善河床生态系统，但这种方法施工难度大、成本高、容易造成二次污染、 在河床凹凸不平时难以呈现有效效果。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明的提供了一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述 铺设材料具有凹凸结构或平面结构。
5.作为一种优选的技术方案，所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶。
6.作为一种优选的技术方案，所述铺设材料为单层复合纳米粒子水凝胶或双层复合纳米 粒子水凝胶或三层复合纳米粒子水凝胶。
7.作为一种优选的技术方案，所述双层复合纳米粒子水凝胶的结构包括上层和下层；所 述上层的孔隙率大于下层的孔隙率。
8.作为一种优选的技术方案，所述上层的孔隙率至少为90％，所述下层的孔隙率至少为80％。
9.作为一种优选的技术方案，所述上层的孔径为1-3000纳米；所述下层的孔径为1-2000 纳米。
10.作为一种优选的技术方案，所述双层复合纳米粒子水凝胶的上层与下层的厚度比为1: (1-3)。
11.作为一种优选的技术方案，其特征在于，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚 氨酯水凝胶。
12.作为一种优选的技术方案，所述复合纳米粒子为无机纳米粒子，所述无机纳米粒子粒 径为40-100纳米
13.作为一种优选的技术方案，所述复合纳米粒子聚氨酯水凝胶制备方法包括以下步骤：
14.步骤一：将亲水聚醚多元醇真空脱水至水含量在0.1％以下，然后将脱水后亲水聚醚 多元醇、二异氰酸酯、扩链剂置于反应釜中，混合反应2-4h，制得聚氨酯预聚体；
15.步骤二：将偶联剂与纳米无机粒子分散在蒸馏水和无水乙醇体积比为1:9的溶液中， 超声处理、制得经表面处理的无机纳米粒子；
16.步骤三：将所述聚氨酯预聚体、经表面处理的无机纳米粒子、水、无机金属催化剂、 硅油混合后，输送到膜具进行发泡，温度为35℃至50℃，固化制得复合纳米粒子聚氨酯 水凝胶。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1.本发明一种用于营造河床生物多样性的铺设材料具有安装简单，操作性强，可模块 化实施等特点，多孔结构贡献水生植物根系生长空间、微生物栖息空间、鱼虾产卵空间， 有利于河道维持生态系统的稳定性。
19.2.本发明一种用于营造河床生物多样性的铺设材料机械强度高。在复杂的复合污染水 体环境中，复合纳米粒子水凝胶具有非常强的机械强度，材料不容易破碎、流失，造成二 次污染。
20.3.比表面积高：复合纳米粒子水凝胶孔隙率达80％以上具有较高的比表面积，可提高 物理吸附的分子间作用力。
21.4.本发明复合纳米粒子水凝胶骨架表面粗糙，吸附生长在污染物降解酶上的微生物不 断增殖挂膜的过程中不易脱落，水质净化效果更长久，植物根系附着强即使在水流速度较 快河流水生植物也不会脱落。
22.5.本发明一种用于营造河床生物多样性的铺设材料适用范围广，可根据不同的水体来 调节厚度比、层数，无论是家用鱼缸或大面积水体都可以适用。
23.6.本发明合成过程中无需添加任何溶剂、交联剂、固化剂，所得复合纳米粒子聚氨酯 水凝胶无需后处理及纯化过程即可直接使用，操作简单、适于规模化生产。
具体实施方式
24.参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内 容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人 员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
25.本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意 在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅 限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或 装置所固有的要素。
26.当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选 值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下 限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。
27.此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求 (即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且 单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
28.本发明的提供了一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有凹
份、偶联剂0.1-2份、有机金属催化剂0.1-2份。
44.本发明中，所述多异氰酸酯，没有特别的限制，可以是异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、 1,6-六亚甲基二异氰酸酯(hdi)、甲苯二异氰酸酯(tdi)、二苯基甲烷-4,4
′‑
二异氰酸 酯(mdi)、苯二亚甲基二异氰酸酯、甲基环己基二异氰酸酯、四甲基苯二亚甲基二异氰酸 酯、ipdi三聚体、hdi三聚体、tdi三聚体和mdi三聚体中的任一种或多种。
45.在一些实施例中，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯。
46.本发明中，所述亲水聚醚多元醇，没有特别的限制，可以是聚四氢呋喃二醇、聚己二 酸乙二醇酯二醇、聚己二酸乙二醇酯-1,4-丁二醇酯二醇、聚乙二醇和聚己二酸蓖麻油 酯多元醇中的一种或多种。
47.本发明所述亲水聚醚多元醇为聚四氢呋喃二醇。
48.本发明中，所述硅油作为泡沫稳定剂，具备优良的稳泡和开孔性能，同时又有助于改 善聚氨酯水凝胶成型后的回弹性能，本发明所述硅油为醇羟基双封端硅油iota8865h
49.本发明中，所述扩链剂，可以是1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷、乙二 醇、丙三醇、1,4-环己二醇、间苯二酚羟基醚中的一种或多种。
50.本发明所述扩链剂为乙二醇和丙三醇复配而成，所述乙二醇与丙三醇的摩尔比为3：1。 本发明中，所述发泡剂包括水，在一些优选的实施例中，所述水为蒸馏水。
51.本发明中，所述偶联剂可以举例的有：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、 磷酸酯偶联剂中的任意一种。
52.作为硅烷偶联剂，可以是g-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷、g-氨丙基三乙氧基硅烷、 巯基硅烷中任意一种。
53.作为钛酸酯偶联剂，可以是三(二辛基焦磷酰基)钛酸异丙酯、二(二辛基焦磷酰基) 钛酸亚乙酯中任意一种。
54.作为铝酸酯偶联剂，可以是二硬脂酰氧异丙基铝酸酯、烷氧基聚氧化乙烯基铝酸酯中 任意一种。
55.作为磷酸酯偶联剂，可以是磷酸二辛酯、月桂基磷酸酯中的任意一种。
56.本发明所述偶联剂为巯基硅烷和三(二辛基焦磷酰基)钛酸异丙酯复配而成，所述巯 基硅烷与三(二辛基焦磷酰基)钛酸异丙酯的摩尔比为2：1。
57.本发明所述有机金属催化剂，主要起到加速聚合物分子链增长的作用，提高泡沫熟化 程度，可以是为二丁基二月桂酸锡、辛酸亚锡和有机铋催化剂中任选一种。
58.在一些实施例中，所述机金属催化剂为辛酸亚锡。
59.所述复合粒子水凝胶的孔隙内附着微生物菌群。
60.所述微生物菌群包含有微生物、硝化细菌和脱氮菌。
61.所述复合粒子水凝胶的孔隙还可以为鱼虾提供鱼虾产卵空间。
62.实所述复合粒子水凝胶上种植有水生植物。
63.所述水生植物包括沉水植物和挺水植物。所述沉水植物包括金鱼藻、狸藻、眼子菜、 狐尾藻、苦菜、黑藻。所述挺水植物包括芦苇、香蒲科、菖蒲科、菰、水葱。
64.下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对 本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据 上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。另
外，如 果没有其它说明，所用原料都是市售的。
65.实施例
66.实施例1
67.本实施例提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有平面结构， 所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶，所述铺设材料为双层复合纳米粒子水凝胶，所述上 层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为92％，所述上层复合纳米粒子水凝胶平均孔径为 2000纳米，所述下层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为85％，所述下层复合纳米粒子 水凝胶平均孔径为1000纳米，所述上层复合纳米粒子水凝胶与下层复合纳米粒子水凝胶 的厚度比为1:2，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚氨酯水凝胶。
68.本实施例对上述的一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制备方法没有特殊限 定，可通过具体实施方式中提供的制备方法制备。
69.实施例2
70.本实施例提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有平面结构， 所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶，所述铺设材料为单层复合纳米粒子水凝胶，所述单 层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为92％，所述单层复合纳米粒子水凝胶平均孔径为 2000纳米，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚氨酯水凝胶。
71.本实施例对上述的一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制备方法没有特殊限 定，可通过具体实施方式中提供的制备方法制备。
72.实施例3
73.本实施例提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有平面结构， 所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶，所述铺设材料为双层复合纳米粒子水凝胶，所述上 层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为80％，所述上层复合纳米粒子水凝胶平均孔径为 2000纳米，所述下层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为71％，所述下层复合纳米粒子 水凝胶平均孔径为1000纳米，所述上层复合纳米粒子水凝胶与下层复合纳米粒子水凝胶 的厚度比为1:2，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚氨酯水凝胶。
74.本实施例对上述的一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制备方法没有特殊限 定，可通过具体实施方式中提供的制备方法制备。
75.实施例4
76.本实施例提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有平面结构， 所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶，所述铺设材料为双层复合纳米粒子水凝胶，所述上 层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为92％，所述上复合纳米粒子水凝胶平均孔径为 5000纳米，所述下层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为85％，所述下层复合纳米粒子 水凝胶平均孔径为4000纳米，所述上层复合纳米粒子水凝胶与下层复合纳米粒子水凝胶 的厚度比为1:2，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚氨酯水凝胶。
77.本实施例对上述的一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制备方法没有特殊限 定，可通过具体实施方式中提供的制备方法制备。
78.实施例5
79.本实施例提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料，所述铺设材料具有平面结构， 所述铺设材料为复合纳米粒子水凝胶，所述铺设材料为双层复合纳米粒子水凝胶，
所述上 层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为92％，所述上复合纳米粒子水凝胶平均孔径为 2000纳米，所述下层复合纳米粒子水凝胶的水凝胶孔隙率为85％，所述下层复合纳米粒子 水凝胶平均孔径为1000纳米，所述上层复合纳米粒子水凝胶与下层复合纳米粒子水凝胶 的厚度比为2:1，所述复合纳米粒子水凝胶为复合纳米粒子聚氨酯水凝胶。
80.本实施例对上述的一种用于营造河床生物多样性的铺设材料的制备方法没有特殊限 定，可通过具体实施方式中提供的制备方法制备。
81.性能测试
82.申请人对上述实施例中一种用于营造河床生物多样性的铺设材料进行了评估测试。
83.将实施例提供的作为实验组进行下述实验。
84.保留率测试：将实施例提供的复合粒子水凝胶聚氨酯水凝胶在30℃含有防水砂纸的容 器中搅拌下8h，然后进行保留率测试。
85.水生植物生长情况监测:将实施例1-6提供一种用于营造河床生物多样性的铺设材料， 分别铺设在一段相同河道上，铺设面积都为100平米，并在铺设材料上种植水生植物金鱼 藻和芦苇。一个月后观察水生植物的生长情况，分别用a、b、c水生植物的不同生长情况。 a表示水生植物呈现出大面积的生长旺盛、茎秆粗壮挺直；b表示部分面积的生长旺盛、 茎秆粗壮挺直，部分水生植物茎秆较细，绿叶较少，还有小部分面积的水生植物坏死。c 出现大面积的水生植物坏死。
86.河道水质监测:在污染程度相近的富营养化河道，铺设上述实施例1-6提供的一种用于 营造河床生物多样性的铺设材料，铺设面积都为100平米，并在铺设材料上种植水生植物 金鱼藻和芦苇。在爆氧条件下，分别在设置后当天、设置后第5天、第10天取样测定水 域cod、总氮和总磷指标。
87.上述性能测试结果如表一所示。
88.表一性能测试结果
[0089][0090][0091]
由表一性能测试表格可知，在河道铺设实施例1提供一种用于营造河床生物多样性的 铺设材料10天后河道的cod浓度、总氮浓度、总磷浓度大幅度下降，实施例1提供复合 粒子水凝胶聚氨酯水凝胶在30℃含有防水砂纸的容器中搅拌下8h，保留率高达82％，在实 际使用中使用寿命长，水生植物生长优良。总之河道的水质在10天后得到明显改善，河 床生态系统得到有效改善，且河床生态系统趋于稳定，河床动植物开始繁殖，水质清澈见 底。
[0092]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本 行业的普通技术人员均可按说明书所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本 专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的 些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实 质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术 方案的保护范围之内。