申请日 2016.12.28
公开(公告)日 2017.05.31
IPC分类号 B01D39/14; D06M14/06; D06M11/70; D06M11/46; D06M101/10
摘要
本发明公开一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料，由以下重量份的原料组成：羽毛纤维50‑70，聚酯纤维20‑30，甲基丙烯酸酯24‑30，过硫酸钾2‑5，亚硫酸氢钠3‑6，2%对苯二酚溶液3‑7，去离子水适量，乙醇适量，醋酸缓冲液适量，KH‑570 3‑5，羟基磷灰石粉末15‑25，N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺0.5‑1，乳化剂0.5‑1，光引发剂TPO 1‑2，钛酸丁酯7‑12，冰醋酸2‑5，浓硝酸1‑4。本发明使用甲基丙烯酸酯接枝改性羽毛纤维，提高非织造材料的其热稳定性、拉伸性能，另外利用紫外光接枝将羟基磷灰石负载在改性处理后的羽毛纤维上，提高过滤材料对废水中重金属离子的吸附。
权利要求书
1.一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：羽毛纤维50-70份，聚酯纤维20-30份，甲基丙烯酸酯24-30份，过硫酸钾2-5份，亚硫酸氢钠3-6份，2%对苯二酚溶液3-7份，去离子水适量，乙醇适量，醋酸缓冲液适量，KH-570 3-5份，羟基磷灰石粉末15-25份，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-1份，乳化剂0.5-1份，光引发剂TPO 1-2份，钛酸丁酯7-12份，冰醋酸2-5份，浓硝酸1-4份。
2.根据权利要求书1所述的一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维的制备：
将羽毛纤维在去离子水中浸润3-6小时，转移到四颈烧瓶中，滴加稀盐酸溶液调节pH至4.5-6.5，在氮气保护下，添加甲基丙烯酸酯、过硫酸钾和亚硫酸氢钠，控制温度在50-80℃反应1-3小时，之后滴加2%对苯二酚溶液终止反应，收集接枝后的羽毛纤维，用去离子水水洗2-4次，在95-110℃干燥10-14小时至恒重，即得甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维;
(2)羟基磷灰石接枝羽毛纤维的制备：
①、改性羟基磷灰石的制备：
以9/1的体积比配置乙醇/水混合溶液，滴加醋酸缓冲液调节pH至3.5-4.5，加入KH-570，室温水解20-50分钟，加入羟基磷灰石粉末，超声分散后置于水浴中，在60-75℃搅拌反应50-70分钟，升温至75-85℃将溶剂蒸干后，依次使用乙醇和水多次抽洗，干燥、冷却后，即得KH-570改性羟基磷灰石;
②、将改性羟基磷灰石加入到去离子水、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、乳化剂的混合液中，采用超声波分散10-30分钟，加入光引发剂TPO，然后将步骤(1)得到的甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维浸轧混合液中，取出后快速放入UV辐射装置中进行紫外光接枝，辐照后洗涤烘干，即得羟基磷灰石接枝羽毛纤维;
(3)制毡：
①、将聚酯纤维、羽毛纤维混合开松处理后，将梳理机和铺网机接地放电，在温度为15-30℃，湿度为60-90%条件下，将混合纤维喂入梳理机中，然后铺网机铺网，形成混合纤网，并控制纤网的克重在200-500g/m2;
②、将上述混合纤网引入针刺机进行预针刺，针刺密度为200-500针/cm2;形成具有一定强力和密度的素毡，然后进行主针刺，针刺深度控制在6-12mm，针刺密度控制在500-1000针/cm2;
(4)对上述针刺处理后的纤网进行热定型加固处理，制得复合针刺毡，待用;
(5)表面处理：
向乙醇中依次加入钛酸丁酯、冰醋酸，搅拌均匀后逐滴加入浓硝酸，最后加入等离子水于室温搅拌1-3小时，之后用保鲜膜封口置于50-70℃烘箱中静置1-3小时，之后将溶胶均匀涂布在步骤(3)制备的复合针刺毡表面上，置于60-90℃烘箱中静置18-22小时，即得所需过滤材料。
3.根据权利要求书2所述的一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料的制备方法，其特征在于，所述的热定型加固处理的温度在150-190℃，热定型的时间5-15分钟。
说明书
一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明属于非织造过滤材料制造的技术领域，特别涉及一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料及其备方法。
背景技术
随着工业的发展，我国城市地面水污染普遍严重，并呈进一步恶化的趋势，同时由于我国淡水资源十分有限，生产和生活用水日趋紧张，污水问题亟待解决。在中水处理工艺中，混凝法较生物法具有占地少、无二次污染的优势，得到了广泛的应用。但是过滤所需的流速大，水头损失大，滤池需经常冲洗，所需能耗大，排放废水量大，限制了中水处理的发展。因此，寻找低能耗的过滤介质将是未来中水处理行业的必然趋势。
针刺非织造布是工业中常见的一种过滤介质，不但可以应用在空气过滤领域，还可以应用在液体过滤领域，具有优异的过滤精度，水头损失小。这种过滤材料可以做成普通的过滤器，在水流较急同时又有很多颗粒状污染物的情况下应用，同时也可以在深度过滤中做初级过滤用。应用在污水过滤、净化方面，节省传统污水治理方法的费用，以利于污水资源化。
刘莲、俞镇慌等人在其发表的《羽毛非织造液相过滤材料的工艺技术及其性能研究》一文中，将羽毛纤维和热熔纤维混合，采用气流成网技术路径、针刺缠结和热粘合复合加固技术，制备羽毛非织造材料，该非织造材料对可以吸附Ca2+、Mg2+离子，利用其作过滤净化材料即可过滤颗粒杂质，还可以去除掉废水中的重金属离子和染料分子。但是该文章中直接使用没有经过处理的羽毛，其热稳定性差，与混入的低熔点热熔纤维的软化点的温差较小，在热熔固化处理时羽毛纤维容易发生分解，使其吸附性能减弱，作为过滤材料其过滤效果不甚理想。
因此，本发明使用甲基丙烯酸酯接枝改性羽毛纤维，提高非织造材料的其热稳定性、拉伸性能，另外利用紫外光接枝将羟基磷灰石负载在改性处理后的羽毛纤维上，提高过滤材料对废水中重金属离子的吸附，具有良好的过滤性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料及其制备方法，具有良好的物理化学性能、过滤性能，可以吸附污水中重金属、染料和有机溶剂等有害物质。
一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料，由以下重量份的原料组成：羽毛纤维50-70份，聚酯纤维20-30份，甲基丙烯酸酯24-30份，过硫酸钾2-5份，亚硫酸氢钠3-6份，2%对苯二酚溶液3-7份，去离子水适量，乙醇适量，醋酸缓冲液适量，KH-570 3-5份，羟基磷灰石粉末15-25份，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-1份，乳化剂0.5-1份，光引发剂TPO 1-2份，钛酸丁酯7-12份，冰醋酸2-5份，浓硝酸1-4份。
具体步骤如下：
(1)甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维的制备：
将羽毛纤维在去离子水中浸润3-6小时，转移到四颈烧瓶中，滴加稀盐酸溶液调节pH至4.5-6.5，在氮气保护下，添加甲基丙烯酸酯、过硫酸钾和亚硫酸氢钠，控制温度在50-80℃反应1-3小时，之后滴加2%对苯二酚溶液终止反应，收集接枝后的羽毛纤维，用去离子水水洗2-4次，在95-110℃干燥10-14小时至恒重，即得甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维;
(2)羟基磷灰石接枝羽毛纤维的制备：
①、改性羟基磷灰石的制备：
以9/1的体积比配置乙醇/水混合溶液，滴加醋酸缓冲液调节pH至3.5-4.5，加入KH-570，室温水解20-50分钟，加入羟基磷灰石粉末，超声分散后置于水浴中，在60-75℃搅拌反应50-70分钟，升温至75-85℃将溶剂蒸干后，依次使用乙醇和水多次抽洗，干燥、冷却后，即得KH-570改性羟基磷灰石;
②、将改性羟基磷灰石加入到去离子水、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、乳化剂的混合液中，采用超声波分散10-30分钟，加入光引发剂TPO，然后将步骤(1)得到的甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维浸轧混合液中，取出后快速放入UV辐射装置中进行紫外光接枝，辐照后洗涤烘干，即得羟基磷灰石接枝羽毛纤维;
(3)制毡：
①、将聚酯纤维、羽毛纤维混合开松处理后，将梳理机和铺网机接地放电，在温度为15-30℃，湿度为60-90%条件下，将混合纤维喂入梳理机中，然后铺网机铺网，形成混合纤网，，并控制纤网的克重在200-500g/m2;
②、将上述混合纤网引入针刺机进行预针刺，针刺密度为200-500针/cm2;形成具有一定强力和密度的素毡，然后进行主针刺，针刺深度控制在6-12mm，针刺密度控制在500-1000针/cm2;
(4)对上述针刺处理后的纤网进行热定型加固处理，制得复合针刺毡，待用;
(5)表面处理：
向乙醇中依次加入钛酸丁酯、冰醋酸，搅拌均匀后逐滴加入浓硝酸，最后加入等离子水于室温搅拌1-3小时，之后用保鲜膜封口置于50-70℃烘箱中静置1-3小时，之后将溶胶均匀涂布在步骤(3)制备的复合针刺毡表面上，置于60-90℃烘箱中静置18-22小时，即得所需过滤材料。
其中，所述的热定型加固处理的温度在150-190℃，热定型的时间5-15分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明使用甲基丙烯酸酯接枝改性后的羽毛纤维热分解温度高达300℃以上，具有更高的热稳定性，与聚酯纤维混合，在加工非织造布时，纤网通过热定型加固处理时聚酯纤维在纤维交叉点上形成熔融粘合，冷却后，羽毛纤维仍保持原有的吸附性能，缠绕、穿插在聚酯纤维中，制造的非织造复合针刺过滤材料具有良好的拉伸强力、撕裂强力，具有良好的过滤材性能。
(2)羟基磷灰石具有超大的比表面积及其特殊的晶体结构，使其对大多数重金属离子和有机污染物都具有良好的吸附固定作用，本发明以羽毛纤维上接枝的甲基丙烯酸酯作为单体，促进羽毛纤维大分子自由基与改性羟基磷灰石中双键的反应，将改性羟基磷灰石通过紫外光接枝负载在接枝改性的羽毛纤维上，与羽毛纤维复配作为重金属离子吸附剂，可以吸附污水中重金属、染料和有机溶剂等有害物质，且羟基磷灰石具有良好的生物相容性，使用时不会带来二次污染。
(3)羽毛纤维表面存在一些活性基团，如胺基、羧基等，钛酸丁酯可在羽毛纤维表面缓慢水解，从而在羽毛纤维表面能形成一层二氧化钛薄膜，使复合材料具有良好的光催化性能，从而将水中的有机污染物降解。
具体实施方式
一种污水处理用二氧化钛/羽毛非织造复合针刺过滤材料，由以下重量份的原料组成：羽毛纤维65，聚酯纤维26，甲基丙烯酸酯26，过硫酸钾3，亚硫酸氢钠4，2%对苯二酚溶液5，去离子水适量，乙醇适量，醋酸缓冲液适量，KH-570 3，羟基磷灰石粉末20，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1，乳化剂0.8，光引发剂TPO 1.5，钛酸丁酯10，冰醋酸3，浓硝酸2。
具体步骤如下：
(1)甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维的制备：
将羽毛纤维在去离子水中浸润5小时，转移到四颈烧瓶中，滴加醋酸缓冲液调节pH至5，在氮气保护下，添加甲基丙烯酸酯、过硫酸钾和亚硫酸氢钠，控制温度在70℃反应2小时，之后滴加2%对苯二酚溶液终止反应，收集接枝后的羽毛纤维，用去离子水水洗3次，在97℃干燥12小时至恒重，即得甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维;
(2)羟基磷灰石接枝羽毛纤维的制备：
①、改性羟基磷灰石的制备：
以9/1的体积比配置乙醇/水混合溶液，滴加醋酸缓冲液调节pH至4，加入KH-570，室温水解30分钟，加入羟基磷灰石粉末，超声分散后置于水浴中，在70℃搅拌反应60分钟，升温至85℃将溶剂蒸干后，依次使用乙醇和水多次抽洗，干燥、冷却后，即得KH-570改性羟基磷灰石;
②、将改性羟基磷灰石加入到去离子水、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、乳化剂的混合液中，采用超声波分散20分钟，加入光引发剂TPO，然后将步骤(1)得到的甲基丙烯酸酯接枝羽毛纤维浸轧混合液中，取出后快速放入UV辐射装置中进行紫外光接枝，辐照后洗涤烘干，即得羟基磷灰石接枝羽毛纤维;
(3)制毡：
①、将聚酯纤维、羽毛纤维混合开松处理后，将梳理机和铺网机接地放电，在温度为25℃，湿度为75%条件下，将混合纤维喂入梳理机中，然后铺网机铺网，形成混合纤网，并控制纤网的克重在300g/m2;
②、将上述混合纤网引入针刺机进行预针刺，针刺密度为300针/cm2;形成具有一定强力和密度的素毡，然后进行主针刺，针刺深度控制在10mm，针刺密度控制在800针/cm2;
(4)对上述针刺处理后的纤网进行热定型加固处理，制得复合针刺毡，待用;
(5)表面处理：
向乙醇中依次加入钛酸丁酯、冰醋酸，搅拌均匀后逐滴加入浓硝酸，最后加入等离子水于室温搅拌2小时，之后用保鲜膜封口置于60℃烘箱中静置2小时，之后将溶胶均匀涂布在步骤(3)制备的复合针刺毡表面上，置于70℃烘箱中静置22小时，即得所需过滤材料。
其中，所述的热定型加固处理的温度在170℃，热定型的时间10分钟。
性能测试结果：
拉伸强力：94.86cN;断裂强力：9.6N。
孔隙率：95.23%;平均孔径：43.12um;透气量：393.97L/m2·s。
