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CN107937381A - 一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体及其制备方法 - Google Patents

一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体及其制备方法，本发明属于生物载体技术领域，为了解决传统硼酸交联PVA小球强度低、韧性差以及不耐水力剪切的缺点，本发明提供一种增强增韧聚乙烯醇微生物载体：微生物载体由聚乙烯醇、海藻酸钠和水性聚氨酯的三元混合液滴到硼酸和氯化钙的混合液中经充分交联制得。本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：(1)形状为球形，流体阻力小，使载体在处理池中维持悬浮状态所需的能量最低；(2)具有多孔结构，比表面积大，有利于微生物的附着和生长；(3)独立分散，不易堵塞，使用后简单的过滤即可实现分离；(4)强度和韧性明显提高，更耐水力冲刷，使用寿命大为延长。

Description

一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体及其制备方法
技术领域
本发明属于生物载体技术领域，具体涉及一种增强增韧聚乙烯醇微生物载体及其制备方法。
背景技术
生物膜污水处理技术由生物膜发酵技术发展而来，它是通过一定的技术手段，将微生物富集在载体上，使微生物固着生长，在载体表面形成一层生物膜。与传统的污水生物处理技术相比，生物膜污水处理技术可以大幅度提高微生物浓度，缩短处理时间，降低处理成本。载体的保护作用使微生物不易流失，抗毒性和耐受力明显增加，固液分离容易并可反复利用，是一项高效、低耗、运行管理方便的污水生物处理技术，其能够有效处理有机废水、含氨废水、重金属废水以及染料废水等，有着极好的发展前景。
生物膜污水处理技术的关键是选择合适的微生物载体。微生物载体不仅需要具有良好的生物亲和性和大的比表面积以满足微生物生长的条件，还要求具有良好的机械性能抵抗水力剪切的冲击，还要求具有适当的密度以在水中达到悬浮状态。高分子材料密度低，稳定性高，易于成型加工成各种形状，因此被广泛应用作微生物载体材料。
海藻酸钠，明胶，琼脂等天然高分子多糖类物质具有来源广泛，固化成形方便，对微生物毒性小等优点，但机械强度较低，在长时间的污水处理工艺中被水力冲刷至变形，从而丧失应用价值。聚丙烯酰胺(PAM)和光化树脂等合成高分子，虽具有抗生物分解、机械强度高等优点，但是聚合物成型条件比较剧烈，往往对微生物毒性较大。
聚乙烯醇具有化学稳定性好、抗生物分解能力高、机械强度高、无生物毒性且价格低廉等优点，在微生物载体领域具有较大潜在价值，迅速成为国内外研究的热点。但是聚乙烯醇需被交联消除水溶性之后才能作为污水处理材料，现有的硼酸交联法具有工艺简单，反应易于实现的特点，所制备的PVA凝胶小球已被广泛应用于微生物载材料。但是此种方法制备的凝胶小球强度和韧性较低，受到水力剪切容易软化变形，使用寿命大大减少，故有必要研究提高PVA凝胶小球强度和韧性的新方法。
发明内容
为了解决传统硼酸交联PVA小球强度低、韧性差以及不耐水力剪切的缺点，本发明的首要目的之一在于提供一种增强增韧聚乙烯醇微生物载体。
一种增强增韧聚乙烯醇微生物载体，所述的微生物载体由如下质量分数的物质充分交联制得：6%〜12%的聚乙烯醇，0.6%〜1.0%的海藻酸钠，0.5%-2.0%的水性聚氨酯，3%-5%的硼酸，2%-6%的氯化钙，其余为水，所述的微生物载体由聚乙烯醇、海藻酸钠和水性聚氨酯的三元混合液滴到硼酸和氯化钙的混合液中经充分交联制得。
优选的，所述的聚乙烯醇是指聚合度为1750±50。
优选的，所述的所述水性聚氨酯采用的是固含量为20%-40%水性聚氨酯乳液。
本发明的另一个目的在于提供上述微生物载体的制备方法。
一种增强增韧聚乙烯醇微生物载体的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
（1）将PVA（聚乙烯醇）和SA（海藻酸钠）加入水中，搅拌混合溶解均匀，形成PVS/SA混合溶液，然后冷却至室温待用；
所述的聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液中，聚乙烯醇的质量百分含量为6%〜12%， 海藻酸钠的质量百分含量为0.6%〜1.0%；
优选的，步骤（1）中所述的PVA指聚合度为1750±50、醇解度＞99%的聚乙烯醇；
优选的，步骤（1）中所述的采用如下方法使物质溶解均匀：水浴加热至90-100℃，优选95℃，并用转速为150-300rpm的机械搅拌至无可见微小颗粒，一般是2-4h，然后继续保温搅拌达6h或以上。
（2）将水性聚氨酯乳液和步骤(1)所得PVA/SA混合溶液混合，得到PVA/SA/WPU混合液；
所述水性聚氨酯乳液的固含量为20%-40%；
所述的水性聚氨酯在体系中的质量分数为0.5%-2.0%；
（3）取硼酸和氯化钙溶于水中，制备含有硼酸和氯化钙混合溶液，即为凝固浴溶液；
所述凝固浴溶液中硼酸的质量分数为3%-5%，氯化钙的质量百分含量为2%-6%；
（4）将步骤(2)中所述的PVA/SA/WPU混合液在搅拌条件下滴加至步骤(3)所述的交凝固浴中进行凝固成形，然后静置使其充分交联，得到PVA凝胶小球；
步骤（4）中的滴加是指用末端带3㎜直径管口的蠕动泵将PVA/SA/WPU混合液在20㎝高度处滴加至凝固浴中。
搅拌转速为30-60rpm。
静置时间大于20h。
（5）将步骤(4)制得的PVA凝胶小球取出，洗涤后即可。
采用上述方法制备的聚乙烯醇微生物载体为直径为3〜4mm的球状。
本发明的制备原理为: SA与钙离子的交联反应几乎是瞬时完成，使得液滴迅速生成光滑且不具有粘性的表面，从而在阻止小球之间的粘连聚并，达到改善PVA溶液成球性的目的。硼酸作为PVA的交联剂，使小球内部生成聚合物网络结构。水性聚氨酯是一种兼具良好强度和韧性的聚合物，其分子链上的羟基，氨酯基，酯基和脲基均为极性基团，与PVA 具有良好的相容性。因此水性聚氨酯被引入到体系中以期同时提高凝胶小球的强度和韧性，使小球可以承受长时间的水力冲击，延长使用寿命。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1) 形状为球形，流体阻力小，使载体在处理池中维持悬浮状态所需的能量最低；同时球形可以减少载体之间的磨损，延长载体使用寿命；
(2)具有多孔结构，比表面积大，有利于微生物的附着和生长；
(3)独立分散，不易堵塞，使用后简单的过滤即可实现分离，并且可多次循环使用；
(4)强度和韧性明显提高，更耐水力冲刷，使用寿命大为延长。
附图说明
图1是拉伸测试曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
取水100mL，依次向水中加入8g聚乙烯醇(PVA)、0.6g海藻酸钠(SA)；水浴升温至95℃，搅拌溶解2小时至无肉眼可见颗粒，继续搅拌6小时至完全溶解；后加入5g水性聚氨酯乳液(WPU)并搅拌均匀，最终得到8%PVA/0.6%SA/1.5%WPU混合液；静置脱泡1小时去除在搅拌过程中所产生气泡；将上述所得PVA/SA/WPU混合液用末端管口直径3㎜的蠕动泵滴加到3%H3BO3/4%CaCl2中，室温下交联24h，然后将小球取出用自来水清洗2-4次，得到直径为3-4㎜的白色增强增韧聚乙烯醇微生物球状载体，然后储存于少量自来水中待用。
实施例2
取水100mL，依次向水中加入10g聚乙烯醇(PVA)、0.8g海藻酸钠(SA)；水浴升温至95℃，搅拌溶解2小时至无肉眼可见颗粒，继续搅拌6小时至完全溶解；后加入3g水性聚氨酯乳液(WPU)并搅拌均匀，最终得到10%PVA/0.8%SA/0.9 %WPU混合液；静置脱泡1小时去除在搅拌过程中所产生气泡；将上述所得PVA/SA/WPU混合液用末端管直径3㎜的蠕动泵滴加到3%H3BO3/5%CaCl2中，室温下交联24h，然后将小球取出用自来水清洗2-4次，得到直径为3-4㎜的白色增强增韧聚乙烯醇微生物球状载体，然后储存于少量自来水中待用。
实施例3
取水100mL，依次向水中加入6g聚乙烯醇(PVA)、0.6g海藻酸钠(SA)；水浴升温至95℃，搅拌溶解2小时至无肉眼可见颗粒，继续搅拌6小时至完全溶解；后加入5g水性聚氨酯乳液(WPU)并搅拌均匀，最终得到6%PVA/0.6%SA/1.5%WPU混合液；静置脱泡1小时去除在搅拌过程中所产生气泡；将上述所得PVA/SA/WPU混合液用末端管口直径3㎜的蠕动泵滴加到4%H3BO3/5%CaCl2中，室温下交联24h，然后将小球取出用自来水清洗2-4次，得到直径为3-4㎜的白色增强增韧聚乙烯醇微生物球状载体，然后储存于少量自来水中待用。
为间接评估所制凝胶小球的力学性能，将实施例3的滴加改成挤出方法制备圆形丝条，并用于拉伸试验，图1是典型的拉伸曲线。试验结果表明引入WPU制备的水凝胶PVA/SA/WPU（拉伸强度：0.46 MPa；拉伸模量：0.48 MPa；断裂伸长率：140%）比之PVA/SA水凝胶（拉伸强度：0.25 MPa；拉伸模量：0.30 MPa；断裂伸长率：120%）具有更优异的力学性能，证明WPU对微生物载体小球的增强增韧作用。

Claims (10)

1.一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体， 特征在于，所述的微生物载体由如下质量分数的物质充分交联制得：6%〜12%的聚乙烯醇，0.6%〜1.0%的海藻酸钠，0.5%-2.0%的水性聚氨酯，3%-5%的硼酸，2%-6%的氯化钙，其余为水。
2.如权利要求1所述的一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体， 特征在于，所述的聚乙烯醇是指聚合度为1750±50。
3.如权利要求1所述的一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体， 特征在于，所述的所述水性聚氨酯采用的是固含量为20%-40%水性聚氨酯乳液。
4.一种增强增韧聚乙烯醇球状微生物载体的制备方法， 特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
（1）将PVA和SA加入水中，加热使其溶解均匀，形成PVS/SA混合溶液，然后冷却至室温待用；
混合溶液中，聚乙烯醇的质量百分含量为6%〜12%， 海藻酸钠的质量百分含量为0.6%〜1.0%；
（2）将水性聚氨酯乳液和步骤(1)所得PVA/SA溶液混合，得到PVA/SA/WPU混合液；
所述水性聚氨酯乳液的固含量为20%-40%；
所述的水性聚氨酯在体系中的质量分数为0.5%-2.0%；
（3）取硼酸和氯化钙溶于水中，制备含有硼酸和氯化钙混合溶液，即为凝固浴溶液；
所述凝固浴溶液中硼酸的质量分数为3%-5%，氯化钙的质量百分含量为2%-6%；
（4）将步骤(2)中所述的PVA/SA/WPU混合液在搅拌条件下滴加至步骤(3)所述的交凝固浴中进行凝固成形，然后静置使其充分交联，得到PVA凝胶小球；
（5）将步骤(4)制得的PVA凝胶小球取出，洗涤后即可。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的PVA指聚合度为1750±50、醇解度＞99%的聚乙烯醇。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的采用如下方法使物质溶解均匀：水浴加热至90-100℃，并用转速为150-300rpm的机械搅拌至无可见微小颗粒，并继续保温搅拌达6h以上。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，水浴加热的温度为95℃。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中的滴加是指用末端带3㎜直径管口的蠕动泵将PVA/SA/WPU混合液在20㎝高度处滴加至凝固浴中。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中搅拌转速为30-60rpm。
10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，静置时间大于20h。
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