一种碳纤维聚氨酯生物填料及其制作方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种有利于污水处理菌藻共生体系的碳纤维聚氨酯生物填料及其制作方法。


背景技术：

2.生物填料是污水生物膜法处理工艺的核心部件，是微生物附着和生长的载体，其性能直接影响污染物的去除效率。生物填料依据其功能需具有良好的亲水性，较大的孔隙率，较好的化学稳定性和强度，较小的水力损失，无毒无害等特性。同时对生物反应器内水力条件、流场分布和生物膜的脱落、分离不会造成不利影响。
3.市售的污水处理用生物填料主要有无机填料和有机填料两类，无机填料亲水性强、强度较高、但比表面积较小、密度较大，易堵塞和板结；有机填料密度小、反洗能耗低、易打结、不耐磨，与微生物的相容性(亲水性)较差。其中亲水性聚氨酯生物填料，通过控制聚合物与交联剂的比例、发泡温度、ph值以及表面活性剂的类型和用量，可以改变泡沫密度、泡孔结构、润湿速率和保水性等性能。其具有三维孔结构，孔隙发达，比表面积大，亲水性良好(特别是添加粉末活性炭后)，在污水处理工程中多有应用。如：培养固定在聚氨酯泡沫塑料基质中的微生物、固定泡沫塑料中的活性酶、生物处理氨气，以及从工业废水中去除nh
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等。编号为cn 110724304 a的发明通过对聚氨酯生物填料进行改性，使其具有功能基，可将微生物和酶固定在载体填料上，有利于培养菌大量繁殖，增大了生物载量，提高了污水处理效果。但缺点是耐磨性差，易漂浮，影响污水处理设施运行的稳定性。
4.与此同时，为了进一步提高聚氨酯生物填料的处理效果，科研人员不断尝试将功能化纳米材料固定于聚氨酯生物填料的表面，这些材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯、氧化铝等，改性后的生物填料能通过吸附的方式去除水体中的染料、抗生素及有机污染物。编号为cn 105384891 a的发明公开了一种碳纤维聚氨酯复合材料的合成方法，该发明改善了碳纤维在聚氨酯中的分散性和相容性，得到了高性能的复合材料，解决了纯聚氨酯刚性和稳定性较差的缺点。编号为cn 111715182 a的发明提供了一种除油碳纤维管生物填料及其制备和应用方法，该发明通过等离子体激励的方法在碳纤维材料外部包裹了生物填料层，该碳纤维管除油生物填料具有很强亲油特性且可以循环利用。然而聚氨酯骨架表面相对平整光滑这将不利于纳米功能材料表面稳定附着。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种用于污水处理菌藻共生体系的一种碳纤维聚氨酯生物填料，该生物填料制备工艺简便，亲水性和生物附着性优良，并可以悬浮在污水中进行生物膜法处理，有效的提高了污水处理的效率和生物填料的寿命。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.用于污水处理的碳纤维聚氨酯生物填料，由以下重量份的原料制备而成：
8.亲水性聚醚多元醇a 60-80份、亲水性聚醚多元醇b 20-40份、脱胶碳纤维短丝1～
10份、添加物0～30份、催化剂0.5～1份、发泡剂1～3份、匀泡剂2～4份、开孔剂0.5～1份、异氰酸酯30～50份。
9.制备时，按上述配方依次称取亲水性聚醚多元醇a、b、用电动搅拌器搅拌5min左右，控制料温25℃左右，随后依次加入发泡剂、催化剂和匀泡剂，搅拌2min后静置1-2min，随后将称量好的异氰酸酯加入，搅拌10s左右，倒入发泡箱中自由发泡，熟化后得到亲水聚氨酯生物填料。
10.在本发明中，所述亲水性聚醚多元醇a为聚醚三醇330n(羟值：35mgkoh/g)、亲水性聚醚多元醇b为聚醚三醇3050(羟值：55mgkoh/g)。
11.在本发明中，所述催化剂为a-1、a-33、c-225、三亚乙基二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、乙醇胺、乙二胺、二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡中一种或两种以上的混合物。
12.在本发明中，所述发泡剂为水。
13.在本发明中，所述匀泡剂为聚醚改性有机硅类表面活性剂。
14.在本发明中，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或两种以上的混合物。
15.在本发明中，所述添加物是聚丙烯酸纳颗粒、聚丙烯酰钾颗粒、介孔二氧化硅中的一种或两种以上的混合物。
16.优选地，由以下重量份的原料制备而成：
17.亲水性聚醚多元醇a 80份、亲水性聚醚多元醇b 20份、碳纤维3份、添加物10份、催化剂0.6份、发泡剂3份、匀泡剂1份、开孔剂0.5份，异氰酸酯30份。
18.优选地，由以下重量份的原料制备而成：
19.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝3份、添加物10份、催化剂0.5份、发泡剂1.5份、匀泡剂3份、开孔剂0.7份，异氰酸酯40份。
20.优选地，由以下重量份的原料制备而成：
21.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝15份、添加物15份、催化剂0.8份、发泡剂2份、匀泡剂1份、开孔剂0.8份，异氰酸酯45份。
22.优选地，由以下重量份的原料制备而成：
23.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝5份、添加物25份、催化剂0.9份、发泡剂2.5份、匀泡剂3份、开孔剂0.9份，异氰酸酯45份。
24.经检测(见表1)，本发明所提供的配方所制得的碳纤维聚氨酯生物填料具有良好的吸水和保水能力，随着碳纤维和添加物用量的调整，该生物填料可在水中沉降，同时还并具有良好的强度。
25.本发明具有以下有益效果：
26.1.本发明的制备工艺简便，原料易得、成本低，合成过程便捷，合成的碳纤维聚氨酯生物填料具有强耐磨性、密度略低于水、亲水效果好、开孔率高、吸水率和保水率高等优势适合于各种污水处理的应用。
27.2.本发明通过引入添加物和碳纤维，改善了聚氨酯生物填料的力学性能、化学稳定性能、抗老化性能，大大提高了聚氨酯生物填料的亲水性和吸附性；
28.3.本发明实用性强，通过引入不同重量的添加物，使得聚氨酯生物填料可以在污水内不同的深度悬浮并进行吸附处理，从而提高污水处理效率。
29.4.本发明的配方灵活可调节，可根据生物填料的实际用途选择各合成组分的用量。
附图说明
30.图1是本发明专利的一种有利于污水处理菌藻共生体系的碳纤维聚氨酯生物填料制作方法的流程示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明专利作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明专利并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明专利的限定。
32.实施例1
33.用于污水处理的碳纤维聚氨酯生物填料，由以下重量份的原料制备而成：
34.亲水性聚醚多元醇a 80份、亲水性聚醚多元醇b 20份、脱胶碳纤维短丝3份、添加物10份、催化剂0.6份、发泡剂3份、匀泡剂1份、开孔剂0.5份，异氰酸酯30份。
35.实施例2
36.用于污水处理的碳纤维聚氨酯生物填料，由以下重量份的原料制备而成：
37.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝3份、添加物10份、催化剂0.5份、发泡剂1.5份、匀泡剂3份、开孔剂0.7份，异氰酸酯40份。
38.实施例3
39.用于污水处理的碳纤维聚氨酯生物填料，由以下重量份的原料制备而成：
40.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝5份、添加物25份、催化剂0.9份、发泡剂2.5份、匀泡剂3份、开孔剂0.9份，异氰酸酯45份。
41.对比例1
42.由以下重量份的原料制备而成：
43.亲水性聚醚多元醇a 60份、亲水性聚醚多元醇b 40份、脱胶碳纤维短丝0份、添加物0份、催化剂0.5份、发泡剂1.5份、匀泡剂3份、开孔剂0.5份，异氰酸酯35份。
44.通过表1可知，可以看到采用本发明所提供的配方所制得的碳纤维聚氨酯生物填料具有良好的吸水和保水能力，随着碳纤维和添加物用量的调整，该生物填料可在水中沉降，同时还并具有良好的强度。
45.表1检测结果
[0046] 实施例1实施例2实施例3实施例4对比例1密度/kg
·
m54.255.154.953.659吸水率/％86879910341保水率/％8285959737伸长率％176168159149276拉伸强度/kpa1.61.61.51.42.5水中沉降时间/s6.76.84.13.515.6
[0047]
本发明专利提供了一种工艺简便、实用性强的碳纤维聚氨酯生物填料制作方法，该配方具有亲水效果好、开孔率高、吸水率和保水率高等优势，配方可调节、合成过程便捷，
适合于各种污水处理的应用。
[0048]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明专利而所举的较佳的实施例，本发明专利的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明专利基础上所作的等同替代或变换，均在本发明专利的保护范围之内。