[发明专利]一种纳米Fe(OH)3复合生物填料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明属于废水处理领域的技术，具体涉及一种纳米Fe(OH)₃复合生物填料、制备方法及其用途，其为高活性、高稳定性微生物水处理活性载体。

背景技术

现代工业废水成分复杂、污染物种类多，常规生物处理技术难以解决。通过在废水处理过程中投加生物填料，增加微生物活性和生物多样性，提高微生物的代谢活性和抗冲击性是废水生物强化处理的重要手段之一。

软性聚氨酯泡沫由于其制作方便、加工成型简单、性能稳定，已成功用于制备生物载体并应用于废水处理中。由于普通聚氨酯泡沫的亲水性能较低，生物亲和力较弱，为提高载体的微生物负载活性，需要通过不同手段对软性聚氨酯泡沫进行改性处理。在各类软性聚氨酯泡沫改性技术中，一类技术是通过对聚氨酯泡沫的有机官能团改性处理(如：氰乙基化、胺化和磺化)提高聚氨酯泡沫的亲水性、通透性、比表面积等；另一类技术通过在聚氨酯的制备过程中添加活性炭(CN1478891A)、纳米SiO₂(CN1631976A)、碳纤维、纳米氧化锌、纳米凹凸材料等活性组分以提高聚氨酯泡沫的稳定性、生物亲和性。通过这些改性技术，极大的丰富和发展了聚氨酯生物填料的应用。

铁氧化物(Fe₂O₃、Fe(OH)₃)具有高的表面活性结构和良好的生物亲和性，同时Fe元素是微生物生长的必要元素，是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，Fe离子能起到电子传递和辅酶激活剂的作用，对众多微生物的生长具有促进作用，因此铁氧化物是污水处理中常用的协同催化剂。当铁氧化物颗粒的尺度减小到纳米尺度后，其表面原子数、比表面积和表面能等均随粒径的减小而急剧增加，从而表现出小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点，其具有更高的表面活性及催化活性。然而游离的铁氧化物纳米颗粒在水体中不仅团聚而丧失纳米效应，并且会对微生物细胞产生纳米毒性。因此必须选择合适的载体将纳米铁氧化物进行固定，避免其团聚以及在水体中的流失，而制备方便、加工简单的聚氨酯泡沫是理想的纳米颗粒载体。

从以往的聚氨酯纳米复合材料的制备工艺上看，普遍采用直接以纳米粉体或纳米粉体的浓缩液作为聚氨酯的添加剂，然后通过机械方法对纳米颗粒进行分散并进行制备。由于无机纳米颗粒的制备工序和聚氨酯的发泡工序的分离，不仅使复合聚氨酯材料的制备步骤相对繁琐，增加材料的制备成本，同时在复合材料的制备过程中很难控制纳米颗粒的分散性、防止颗粒团聚，从而难以保证纳米聚氨酯材料的性能。

发明内容

本发明克服了纳米Fe(OH)₃在废水体系中的团聚和微生物纳米毒性，提供了一种在聚氨酯泡沫制备过程中原位制备Fe(OH)₃纳米颗粒的方法，提高了Fe(OH)₃纳米颗粒在废水处理中的稳定性和生物活性。

为了达到上述目的，本发明采用了如下制备方法：

一种纳米Fe(OH)₃复合生物填料的制备方法，该复合生物填料为Fe(OH)₃纳米颗粒复合聚氨酯泡沫塑料，其制备方法包括Fe(OH)₃纳米复合聚氨酯预聚体的制备和Fe(OH)₃纳米复合聚氨酯预聚体的发泡。

优选地，所述Fe(OH)₃纳米复合聚氨酯预聚体在微乳液体系中完成制备，其制备方法包括如下步骤：

(1)将聚氨酯预聚体、助表面活性剂、油溶剂和无机水溶液混合；

(2)将步骤(1)得到的混合溶液在超声振荡下混合反应1.5～2小时，使聚氨酯预聚体在油溶剂中充分分散，并使无机水溶液在油溶剂中分散成纳米尺度小液滴；

(3)将步骤(2)得到的混合溶液在机械搅拌下继续反应0.5～1小时，使在分散的聚氨酯预聚体与无机水溶液小液滴相互接触，在助表面活性剂的作用下形成反胶团，所形成的反胶团在机械搅拌下分散在油溶液中形成反胶团微乳液，控制机械搅拌速度低于10rpm，以确保微乳液体系内油包水微粒的生成；

(4)将步骤(3)得到的混合溶液蒸发浓缩，得到Fe(OH)₃纳米复合聚氨酯预聚体；

上述无机水溶液为FeCl₃溶液和氨水溶液。