污水处理用陶瓷基生物活性复合材料的研究

【摘要】：随着我国染料工业的发展，染料废水对水资源的污染越来越严重，常规的方法处理染料废水已达不到环保要求。本课题是以多孔碳化硅(SiC)和多孔电气石陶瓷材料为基质材料，对其进行改性增加生物相容性，将微生物固定在改性后的多孔陶瓷上，制备了陶瓷基生物活性复合材料并将其应用于染料污水的处理。本课题不仅在多孔陶瓷表面制备了聚乙烯醇(PVA)和硅溶胶诱导膜，还将悬浮的微生物固定技术得到了改进。在文中系统的研究了烧成温度、粘结剂含量及颗粒粒径等对多孔陶瓷性能的影响，探讨了制备诱导膜的工艺条件及微生物在诱导膜上的生长条件要求。利用煮沸法、三点弯曲法对多孔陶瓷的气孔率及抗弯强度进行测定；利用扫描电镜分别对多孔陶瓷表面、固定微生物形貌进行表征。结果表明： (1)通过对多孔陶瓷材料的气孔率及抗弯强度的研究，确定制备多孔陶瓷的最佳制备工艺。多孔SiC陶瓷制备工艺为烧成温度1020℃，聚碳硅烷(PCS)粘结剂的含量为8wt%，骨料颗粒粒径为100m。在此工艺条件下制备的多孔SiC陶瓷的气孔率为44.7%，抗弯强度为34.85MPa。多孔电气石陶瓷制备工艺为烧成温度1180℃，陶瓷粘结剂的含量为15wt%，骨料颗粒粒径为100m。在此工艺条件下制备的多孔电气石陶瓷的气孔率为43.2%，抗弯强度为25.61MPa。 (2)对多孔陶瓷进行生物改性，实验表明，由于聚乙烯醇(PVA)和硅溶胶的成膜性和粘结性较好，所以可以很好的负载在多孔SiC陶瓷和电气石陶瓷上并形成诱导膜。 (3)对多孔SiC陶瓷材料PVA诱导膜工艺的研究表明：PVA的pH值、浓度及负载次数对微生物固定有一定的影响。PVA诱导膜过酸或者过碱，都会影响微生物吸附及其生物活性。PVA的浓度过低，微生物固定量相对较少，而浓度过高，传质受阻，影响微生物的生长。所以PVA诱导膜固定微生物的最优条件为：PVA的pH为7，浓度为5%，负载2次。其固定的微生物较多，故其去除污水的COD能力也强。 (4)对多孔SiC陶瓷材料硅溶胶诱导膜工艺的研究表明：硅溶胶的浓度及负载次数也对微生物固定有一定的影响。硅溶胶浓度越小，使其诱导膜的粘度越小，吸附的微生物量越少。负载次数增多，其涂敷在SiC陶瓷上的厚度增加，一方面使硅溶胶诱导膜容易脱落，另一方面限制了产物的扩散和氧气的传送，这就促使固定在其上的微生物量减少。从成本上考虑，硅溶胶诱导膜固定微生物的最优条件为：硅溶胶稀释0.5倍，负载三次。 (5)对多孔电气石陶瓷材料诱导膜的研究表明，多孔电气石表面无论负载PVA诱导膜还是硅溶胶诱导膜，其去污能力均明显大于多孔电气石本身。 (6)本课题制备的陶瓷基复合材料对微生物的固定能力主要是由诱导膜决定的，诱导膜相同时，其固定的微生物形状、数量大体相同，去除COD的能力也相当。 【关键词】：碳化硅 电气石 多孔陶瓷 诱导膜 微生物固定 污水处理
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ174.758.2;X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 1 绪论12-26
• 1.1 研究背景12-14
• 1.1.1 染料废水概述12
• 1.1.2 染料废水的处理现状及发展12-14
• 1.2 固定化技术的研究进展14-19
• 1.2.1 固定化技术14-15
• 1.2.2 固定化载体的选择15-16
• 1.2.3 固定化方法16-19
• 1.3 固定化微生物技术应用于污水处理的研究进展19-20
• 1.3.1 对含难降解有机物废水的处理19
• 1.3.2 对含氨氮废水的处理19
• 1.3.3 对含重金属离子废水的处理19-20
• 1.3.4 对染料废水的处理20
• 1.4 多孔陶瓷材料20-24
• 1.4.1 碳化硅21
• 1.4.2 电气石21-23
• 1.4.3 多孔陶瓷的制备方法23-24
• 1.4.4 多孔陶瓷应用于污水处理的研究进展24
• 1.5 课题研究的目的意义24-26
• 1.5.1 学术构思24
• 1.5.2 目的和意义24-25
• 1.5.3 主要研究内容25-26
• 2 实验内容及测试方法26-33
• 2.1 实验原料26-27
• 2.2 实验仪器27
• 2.3 实验过程27-30
• 2.3.1 多孔陶瓷制备工艺过程27-28
• 2.3.2 生物活性材料的培养及驯化28-29
• 2.3.3 负载诱导膜多孔陶瓷的制备及性能研究29-30
• 2.4 仪器表征30-33
• 2.4.1 扫描电子显微镜分析（SEM）30-31
• 2.4.2 气孔率的测定31
• 2.4.3 抗弯强度测定31
• 2.4.4 COD 的测定31-33
• 3 碳化硅陶瓷基生物活性复合材料的研究33-50
• 3.1 多孔 SiC 陶瓷制备工艺的研究33-39
• 3.1.1 烧成温度对多孔 SiC 陶瓷的影响33-35
• 3.1.2 PCS 含量对多孔 SiC 陶瓷的影响35-38
• 3.1.3 颗粒粒径对多孔 SiC 陶瓷的影响38-39
• 3.2 负载诱导膜多孔 SiC 陶瓷的制备及性能研究39-48
• 3.2.1 诱导膜的确定39-41
• 3.2.2 PVA 诱导膜的工艺研究41-45
• 3.2.3 硅溶胶诱导膜的工艺研究45-48
• 3.3 本章小结48-50
• 4 电气石陶瓷基生物活性复合材料的研究50-60
• 4.1 多孔电气石陶瓷制备工艺的研究50-56
• 4.1.1 烧成温度对多孔电气石陶瓷的影响50-52
• 4.1.2 陶瓷粘结剂含量对多孔电气石陶瓷的影响52-54
• 4.1.3 颗粒粒径对多孔电气石陶瓷的影响54-56
• 4.2 负载诱导膜多孔电气石陶瓷的制备及性能研究56-59
• 4.2.1 诱导膜的确定56
• 4.2.2 负载 PVA 诱导膜的多孔电气石陶瓷对微生物的固定研究56-57
• 4.2.3 负载硅溶胶诱导膜的多孔电气石陶瓷对微生物的固定57-58
• 4.2.4 表观形貌分析58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 5 机理研究60-66
• 5.1 微生物的固定机理60-61
• 5.2 多孔陶瓷基体对微生物固定影响61-62
• 5.3 诱导膜诱导微生物固定研究62-64
• 5.3.1 PVA 诱导膜的诱导作用62-63
• 5.3.2 硅溶胶诱导膜的诱导作用63-64
• 5.4 微生物净化污水机理64-66
• 6 结论66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-74
• 攻读学位期间发表的学术论文目录74-75

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