[发明专利]一种核@壳结构的磁性污泥碳生物填料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

 本发明属于污水处理技术领域，更具体地，涉及一种核@壳结构的磁性污泥碳生物填料及其制备方法和应用。

背景技术

磁场可引起生物体内的一系列生物化学反应，产生生物磁效应，这种磁效应可提高水中微生物的生物活性，加快生化反应，从而增加其污水处理效率。例如，有研究表明以磁性粉末为载体的生物膜比无磁性载体的生物膜致密性强，其废水处理效率提高了26%。但是，磁粉在水中存在不易分离、再生困难及成本高等问题；而且磁性颗粒则普遍存在比表面小或者吸附容量小的问题，另外，以铁氧体作为磁基体的磁性微球，会因微生物的腐蚀作用或酸溶解作用而丧失磁性，从而限制了其在环境领域中的应用。

典型的核@壳结构材料是一类具有双层或多层结构的球形颗粒，一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成。这类核@壳材料不仅具有两种复合材料的功能，还可以根据特定的设计，实现功能材料的结构化和官能化，得到优势互补的特殊功能材料。例如，可以使原本不稳定或不太稳定的核稳定化，可获得核和壳材料本身不具备的功能和特性。

目前，未见有以磁性材料为核、污泥碳为壳材料制备核壳结构的磁性污泥碳生物填料的相关研究和报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有污水处理效率低以及生物填料的技术不足，提供一种用Fe₃O₄和污泥制备具有核@壳结构的污泥碳生物填料的方法，具体涉及以磁化Fe₃O₄为核，以污泥碳为壳材料制备核@壳结构磁性污泥碳生物填料的方法。

本发明的目的是提供一种核@壳结构的磁性污泥碳生物填料。

本发明的另一目的是提供上述核@壳结构的磁性污泥碳生物填料的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述核@壳结构的磁性污泥碳生物填料的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种核@壳结构的磁性污泥碳生物填料，是以Fe₃O₄磁性微球为磁性核，以含铁污泥为中间层原料，以普通污泥或含锌污泥为壳原料，采用反复浸渍-烘干方法，将中间层原料和壳原料依次包覆在Fe₃O₄磁性微球上，形成具有核@壳结构的前驱物（记为Fe₃O₄@污泥碳），再经500～800℃热解和后处理制得。

优选地，上述制备工艺中，所述Fe₃O₄磁性微球是以羧甲基纤维素作为粘接剂粘接球形Fe₃O₄后热解得到。

所述后处理是指依次经酸洗、水洗和烘干。更进一步，所述后处理是先依次经酸洗、水洗和烘干后，再置于磁场中磁化30～50 min，制得强化的磁性Fe3O4@污泥碳，即为核@壳结构的磁性污泥碳生物填料。

本发明以含铁污泥（铁-碳材料）包覆在干燥的Fe₃O₄磁性微球和含锌污泥之间，热解形成铁-碳中间层，作为Fe₃O₄核和外层污泥碳的中间层，起到链接两者的作用。核@壳结构的磁性污泥碳生物填料制备成功后，将它们作为生物填料置于上流式生物滤床中，可以对生活污水厂的尾水进行有效的深度处理。在此过程中，中间铁-碳层作为纯Fe₃O₄核和壳层污泥碳之间的过渡层，起到连接的作用。由于Fe₃O₄@污泥碳有许多方向不同微小的磁畴，磁化可使磁性材料中磁畴的磁矩方向变得一致，增强其磁性。

另外，作为一种可实施的优选方案，所述Fe₃O₄磁性微球的制备方法如下：按1：1.5～2的质量比，将Fe₃O₄磁粉添加到1～2g/L的羧甲基纤维素溶液中，搅拌均匀后加入球形模型中挤压成直径2.5～3.5mm的球形Fe₃O₄，这些Fe₃O₄球80～100℃恒温干燥1h，再于400～500℃加热1h，形成直径1.5～2.5mm的Fe₃O₄磁性微球。

优选地，所述含铁污泥的制备方法：按1：1的铁泥比（以干泥计算），将脱水污泥与含铁4 mol/L的无机铁盐进行混合，充分搅拌后烘干，制得含水率90～110%的含铁污泥。