人工水草的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化吸附、光催化氧化和微生物降解性能的人工水草，屬于水體生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在自然水體中，水生植物通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)抑制浮游植物的生長(zhǎng)，同時(shí)水生植物也影響水體中溶解氧和二氧化碳濃度以及堿度和pH值，因此水生植物在水體凈化中起著至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增加，我國(guó)的城市河流湖泊正在遭受著日益嚴(yán)重的污染和破壞。水體污染導(dǎo)致藻類大量繁殖，消耗了水中的溶解氧，破壞了水生植物的生存環(huán)境，使得水生植物難于生長(zhǎng)，河流的自凈能力降低，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重。
[0003]對(duì)于水生植物難于生長(zhǎng)的水體，要提高水體的自凈能力，目前采用最多的方法有生態(tài)浮床和人工水草兩種。對(duì)于人工水草，其作用是為耐污染的藻類提供載體，提高水體的透明度，逐步重建水生植物和水體自然生態(tài)。人工水草使用方法主要有兩類:一是用繩子拉著無(wú)紡布條懸掛在水里；二是把微生物填料扣在槽底上，連槽底一起投放在水里。這兩種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足。對(duì)于第一類人工水草，其人工水草大多由草體纖維、主繩、浮子和底部的固件構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的水草因其截面積相對(duì)較小，對(duì)懸浮顆粒物的吸附作用不是很好，同時(shí)如果人工水草分布較密的話，水草之間容易纏繞在一起；對(duì)于第二類的人工水草，其人工水草一般由網(wǎng)箱和本體組成，但大多數(shù)第二類的人工水草并沒(méi)有很好地利用網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，沒(méi)有將整個(gè)人工水草結(jié)構(gòu)達(dá)到利用的最大化。上述兩種人工水草的發(fā)明和設(shè)計(jì)都較好的從仿生學(xué)的角度模仿了自然水草，但對(duì)人工水草吸附和降解性能強(qiáng)化的研究相對(duì)較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]目的:針對(duì)現(xiàn)有人工水草存在的弊端，本發(fā)明提供一種強(qiáng)化吸附、光催化氧化和微生物降解性能的人工水草，采用了第二種人工水草的方式，最大程度地利用了人工水草的結(jié)構(gòu)，增大了其對(duì)水體的凈化和生態(tài)修復(fù)能力。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種人工水草，其特征在于:包括水草載體、浮子、草體纖維、固定水草載體的基底；
[0007]水草載體兩面四角處均勻分布多個(gè)浮子，草體纖維均勻布置在水草載體的表面；
[0008]所述草體纖維由分層多孔PAN類活性碳纖維和附載氮摻雜1102催化材料的分層多孔PAN類活性碳纖維組合制成；所述基底內(nèi)填充羧甲基纖維素聚合物；所述基底上表面設(shè)有多個(gè)勾環(huán)固定部，所述水草載體的下端設(shè)置有相配合的勾環(huán)，水草載體的下端通過(guò)勾環(huán)與基底相連。
[0009]所述的人工水草，其特征在于:每簇草體纖維共設(shè)有60根活性碳纖維，其中分層多孔PAN類活性碳纖維和附載氮摻雜Ti02催化材料的分層多孔PAN類活性碳纖維的數(shù)量比為5:1。一方面分層多孔PAN類活性碳纖維具有很大的表面積，能吸附、截留水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物，同時(shí)活性碳纖維又具有高度的生物親和性，易于微生物附著、掛膜，為各類微生物、藻類和動(dòng)物的生長(zhǎng)、繁殖提供良好的著生、附著和穴居條件，通過(guò)借助微生物的生長(zhǎng)繁殖把水體中的污染物質(zhì)吸收、降解；另一方面附載的氮摻雜Ti02催化材料，具有良好的可見(jiàn)光活性，能在可見(jiàn)光的作用下將水體中的大分子有機(jī)污染物氧化成小分子的有機(jī)污染物，使其更容易被附著在草體表面的微生物降解，從而提高對(duì)污染物的去除效果。
[0010]所述分層多孔PAN類活性碳纖維的制備方法如下:
[0011]步驟(1)將N，N_ 二甲基甲酰胺和二氧化硅/N，N_ 二甲基甲酰胺聚合物溶解于聚丙烯腈中，加入二氧化硅進(jìn)行攪拌，加熱至50°C，制得聚合物溶液；聚合物溶液中二氧化硅和N，N- 二甲基甲酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為2:5 ;
[0012]步驟⑵用內(nèi)徑為1.27mm的針頭把步驟(1)制得的聚合物溶液抽入到30cm3的注射器中，然后用靜電紡絲裝置紡絲，制得樣品纖維；其中靜電紡絲裝置的供電電壓為18kV，針尖到收集器的距離為10cm，注射栗的速度為0.3mL/h，收集器轉(zhuǎn)速為500rpm ；
[0013]步驟(3)將樣品纖維在溫度為260°C的氮?dú)庵蟹胖?小時(shí)，然后將樣品纖維在下列條件的氮?dú)饬髦袩崽幚硖蓟趸频锰蓟瘶悠防w維:升溫速度為5°C /min，升溫至1050°C后處理1小時(shí)，氮?dú)獾倪M(jìn)料速率為100cm3/h ；
[0014]步驟(4)將步驟(3)處理后的碳化樣品纖維浸漬在氫氟酸中24小時(shí)，以除去Si02;再用蒸餾水洗滌數(shù)次，在110°C的溫度下干燥放置過(guò)夜；再在Κ0Η溶液中活化超過(guò)4小時(shí)后在通氮?dú)饬鞯母邷貭t中處理3小時(shí):先從室溫加熱至750°C，升溫速度為3.5°C /min，然后冷卻至室溫；用蒸餾水洗滌樣品以除去殘留的鉀，并在110°C的溫度下干燥過(guò)夜，最終制成分層多孔PAN類活性碳纖維。
[0015]所述附載氮摻雜Ti02催化材料的分層多孔PAN類活性碳纖維的制備方法為:
[0016](1)在69mL的乙醇中加入2.9mL的冰乙酸，混合均勻后緩慢倒入17.08mL的鈦酸丁酯，并加入2?3滴乙酰丙酮，攪拌lh，得到溶液A1 ;稱量6g尿素溶入10mL去離子水中，得到溶液B1 ;將溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完畢攪拌lh，得到溶液C1 ;再將lmL水和10mL乙醇的混合溶液緩慢滴加到溶液C1中，滴加時(shí)間控制在60min左右，制得淡黃色透明溶膠備用；將lg分子質(zhì)量為2000的PEG加入溶膠中，80°C水浴回流lh，制得改性的氮摻雜的Ti02溶膠液備用；
[0017](2)將分層多孔PAN類活性碳纖維在115°C油浴中用濃硝酸氧化4h，得到表面氧化處理后的活性碳纖維；將表面氧化處理后的活性碳纖維浸漬于改性的氮摻雜的1102溶膠液中，lOmin后勻速?gòu)娜苣z液中拉提，并在自然條件下晾干，最后放入電阻爐中，氮?dú)夥諊?00°C退火，升溫速率為2°C /min，保溫時(shí)間為2h，即得。
[0018]所述的人工水草，其特征在于:所述水草載體為淋膜編織布，呈矩形形狀，長(zhǎng)80_120cm，寬 8_12cm。
[0019]所述的人工水草，其特征在于:所述水草載體兩面四個(gè)角分別布置一個(gè)浮子，每個(gè)水草載體布置8個(gè)浮子。
[0020]所述的人工水草，其特征在于:所述基底為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)50-100cm，寬20_50cm，高15-30cm，每個(gè)基底可連接10個(gè)水草載體，成兩排五列排布，形成一個(gè)水草群。
[0021]有益效果:本發(fā)明提供的人工水草，該水草采用了第二種人工水草的方式，最大程度地利用了人工水草的結(jié)構(gòu)，提高人工水草的吸附降解能力增大了其對(duì)水體的凈化和生態(tài)修復(fù)能力，人工水草的主體為淋膜編織布，其具有很好地柔韌性，使水草草體更加柔軟，加大了水草主體與懸浮顆粒的接觸面積，吸附性能更好。每個(gè)基底可連接10個(gè)單個(gè)水體凈化和生態(tài)修復(fù)的人工水草，成兩排五列排布，形成一個(gè)人工水草群?；钚蕴祭w維具有很大的比表面積(>2050m2/g)，能吸附和截留水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物，同時(shí)活性碳纖維具有高度的生物親和性，易于微生物附著、掛膜；氮摻雜Ti02催化材料具有良好的可見(jiàn)光活性，可在自然光催化下將水體中的大分子有機(jī)污染物氧化成小分子的有機(jī)污染物，利于附著在草體表面的微生物降解?；變?nèi)填充羧甲基纖維素聚合物，含有大量羧基、羥甲基等基團(tuán)的膠體材料，這些基團(tuán)能夠增加土壤中負(fù)電荷數(shù)量和陽(yáng)離子交換量，能夠很好地吸附水體中的重金屬離子，同時(shí)，膠體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能對(duì)離子具有保蓄作用，降低了重金屬離子再懸浮的能力。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為基底的不意圖；
[0024]圖3為分層多孔PAN類活性碳纖維的SEM圖；
[0025]圖4為附載氮摻雜Ti02催化材料的分層多孔PAN類活性碳纖維的SEM圖；
[0026]圖5為水草草體纖維表面細(xì)菌豐富度柱狀圖；
[0027]圖6為實(shí)驗(yàn)所用水體中D0、頂n、NH3_N、TN、TP、Cu2+和Zn 2+的變化曲線。
[0028]圖中，水草載體1、草體纖維2、浮子3、勾環(huán)4、勾環(huán)固定部5、基底6。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]如圖1所示，本發(fā)明用于水體凈化和生態(tài)修復(fù)的人工水草，其水草主體部分以水草載體1作為主架構(gòu)，本實(shí)施例中，水草載體為淋膜編織布，上下左右兩面各固定一個(gè)浮子3，為人工水草提供浮力，使其在水體中保持豎直狀態(tài)，以保證其最大的接觸面積。草體纖維2固定于編織布上，其材料由分層多孔PAN類活性碳纖維和附載氮摻雜Ti02催化材料的分層多孔PAN類活性碳纖維兩種組合構(gòu)成，長(zhǎng)度擬取5-lOcm，此長(zhǎng)度穩(wěn)定性好。各材料的制備方法如下:
[0032]圖3為分層多孔PAN類活性碳纖維的SEM圖；所述分層多孔PAN類活性碳纖維具體制備方法為:
[0033]步驟⑴將N，N-二甲基甲酰胺(PAN)和二氧化硅/N，N-二甲基甲酰胺(Si02/PAN)聚合物溶解于聚丙烯腈(DMF)中，加入二氧化硅進(jìn)行攪拌，加熱至50°C，制得聚合物溶液；聚合物溶液中二氧化硅和N，N- 二甲基甲酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為2:5 ;
[0034]步驟⑵用內(nèi)徑為1.27mm的針頭把步驟⑴制得的聚合物溶液抽入到30cm3的注射器中，然后用靜電紡絲裝置紡絲，制得樣品纖維；其中靜電紡絲裝置的供電電壓為18kV，針尖到收集器的距離為10cm，注射栗的速度為0.3mL/h，收集器轉(zhuǎn)速為500rpm ；
[0035]步驟(3)將樣品纖維在溫度為260°C的氮?dú)庵蟹胖?小時(shí)，然后