碳纳米管生物净化水体的材料和方法

摘要

本发明涉及一种碳纳米管生物净化水体的材料和方法，属于环境保护和环境治理技术领域。该材料主要包含生物质发电厂的灰渣或草木灰、水泥、沙子或碎石子、碳纳米管、光触媒和芽孢杆菌。首先通过造粒方法将微生物芽孢杆菌固定和保护；之后，将生物质发电厂燃烧之后产生的灰渣或草木灰，碳纳米管，光触媒，沙子或碎石子，造粒保护的微生物芽孢杆菌，及高标准水泥均匀混合搅拌后，利用成型制砖机压成生物质净化砖。本发明运用纳米技术、植物性灰渣、微生物菌等有利于环保的技术及材料对富营养化水质进行净化处理，不仅净化效果很好，而且兼顾了环保性，同时初期投资少，维护管理费用低，实现了较高的性价比，是可持续发挥效果的最佳应用技术。

权利要求

1.一种碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：该材料主要包含生物质发电厂的灰渣、水泥、沙子、碳纳米管、光触媒和芽孢杆菌，或生物质发电厂的灰渣、水泥、碎石子、碳纳米管、光触媒和芽孢杆菌，其中，芽孢杆菌通过造粒方法进行固定和保护。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的生物质发电厂的灰渣为利用生物质发电后产生的植物性灰渣。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的水泥为

500号以上的高标准水泥。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的光触媒为二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉、纳米银/氯化银、纳米银/溴化银或纳米银/碘化银。

5.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的芽孢杆菌为枯草芽孢桿菌。

6.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的碳纳米管生物净化水体的材料的重量百分比组成为：水泥为5～20％，沙子或碎石子为1～80％，碳纳米管CNT为0.1～5％，光触媒为0.01～2％，芽孢杆菌为1～20％，其余为生物质发电厂的灰渣。

7.根据权利要求6所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的生物质发电厂的灰渣的重量百分比为50％。

8.根据权利要求1所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的碳纳米管生物净化水体的材料为一种碳纳米管吸附/微生物分解复合型水净化砖，具有多孔结构。

9.根据权利要求8所述的碳纳米管生物净化水体的材料，其特征在于：所述的复合型水净化砖的尺寸为400*400*150mm，重量为20～25千克。

10.权利要求1-9任一项所述的碳纳米管生物净化水体的材料的制备方法，包括：依照配比备料，首先通过造粒方法将芽孢杆菌固定和保护，然后将生物质发电厂的灰渣，碳纳米管，光触媒，沙子或碎石子，造粒保护的芽孢杆菌及水泥混合搅拌均匀后，采用成型制砖机压制成复合型水净化砖。

说明书

碳纳米管生物净化水体的材料和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳纳米管（CNT）生物净化水体的材料和方法，属于环境保护和环境治理技术领域。

背景技术

[0002] 水体的富营养化是指水体中的主要营养物质氮、磷含量增加导致浮游生物过量繁殖的现象。影响水体富营养化的原因是多方面的，而目前出现的蓝藻爆发主要原因是人为富营养化造成的。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，以及近年来我国城市和工业的发展、农药化肥的大量使用、植被破坏、水土流失冲刷入湖等，排入水体的营养物质不断增加，使水体中的氨、氮、磷以及有机污染物等耗氧物质浓度大幅度升高，增加了水体中的营养物质的负荷量，水体中的富营养化趋势日益严重，为蓝藻的繁殖提供了有利的生存条件。

[0003] 蓝藻由南方几个大型湖泊逐渐扩散，由南向北迅速蔓延，现已发展到北方大大小小的水体，甚至出现了全国性泛滥。目前，我国几乎所有的湖泊水库都出现了蓝藻爆发。蓝藻覆盖水系，引发遮光问题：水面覆盖蓝藻后，水草等其它水生植物由于无法进行光合作用而死亡；引发缺氧问题，由于蓝藻夜间呼吸的作用消耗掉溶存于水中的氧气，鱼类等生物因为缺氧而死亡。因而，治理城市河湖水系的富营养化问题，不但必要而且非常紧迫。湖泊由于水质的污染、恶臭将会对人们的生活环境与身体健康造成影响，而且从旅游美化的角度也力求改善环境。治理城市湖泊水系的蓝藻，解决富营养化问题（特别是降低磷的浓度）已成为当前环境治理的首要问题。

[0004] 国内外常用的治理蓝藻的方法有：生物治藻、物理治藻和化学治藻。物理治藻一般采用船只采捞、声波震动、引水冲刷等方法，其缺点是耗时长投资大，实施难度较大。化学治藻一般采用硫酸酮法或向局部水体投加丙玛三肽、钙化合物、铝化合物和改性粘土等，化学灭杀只能是短时间内解决问题，但是会带来一系列的负面作用，极有可能造成二次污染。生物治藻采用微生物治理、食藻生物防治和水生植物抑止的方法，是未来的发展方向。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种采用先进的碳纳米管分散技术、生物质原材料、利于生态环保的微生物技术（成熟技术的应用发展），大面积、低成本、短时间、纯生态处理湖泊、池塘、水库等水域的富养成分，特别是可以有针对性的处理由于农业排污造成富养形成的蓝藻。

[0006] 本发明利用碳纳米管技术（CNT），以生物质发电厂燃烧之后产生的草木灰作为载体，使得大面积、低成本、短时间、纯生态治理污染湖水成为现实。

[0007] 一种碳纳米管（CNT）生物净化水体的材料，该材料主要包含生物质发电厂的灰渣或草木灰、水泥、沙子或碎石子、碳纳米管、光触媒和芽孢杆菌（Bacillaceae）。

[0008] 所述的生物质发电厂的灰渣或草木灰为利用生物质发电后产生的植物性灰渣，这是对环保材料进行进一步有效利用，安全可靠，对环境友好。

[0009] 所述的水泥为500号以上的高标准水泥，起到凝固的作用。

[0010] 所述的碳纳米管是指以碳元素为组成的直径在纳米级的超小管式结构体，起到吸附作用。碳纳米管是一种一维量子材料，具有较高的表面活性和超强的吸附能力。

[0011] 所述的光触媒是指以光能为活化动力的催化剂，通过光化学反应将分子等化学物质降解。光触媒种类很多，包括二氧化钛（TiO2），氧化锌（ZnO），氧化锡（SnO2），二氧化锆（ZrO2），硫化镉（CdS），纳米银/氯化银(Ag/AgCl)，纳米银/溴化银(Ag/AgBr)，纳米银/碘化银(Ag/AgI)等多种氧化物硫化物半导体，一般为纳米级材料。

[0012] 所述的芽孢杆菌为枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，是一种微生物菌，通过硝化反应将氮化合物等化学物质降解。

[0013] 所述的碳纳米管（CNT）生物净化水体的材料中，主要材料是生物质发电厂的灰渣，部分凝固用的高标准水泥，少部分沙子或碎石子以及一定比例的CNT碳纳米管分散液、光触媒和枯草芽孢桿菌。其重量百分比组成为：水泥为5~20%，沙子或碎石子为1~10%，碳纳米管CNT为0.1~5%，光触媒为0.01~2%，芽孢杆菌为1~20%，其余为生物质发电厂的灰渣或草木灰，其中生物质发电厂的灰渣或草木灰优选为70%。

[0014] 所述的碳纳米管生物净化水体的材料，为一种碳纳米管吸附/微生物分解复合型水净化砖，简称复合型水净化砖或生物质净化砖，所述生物质净化砖为多孔结构，尺寸选定为400*400*150mm，重量在20~25千克，每块砖可以净化5吨水，生命周期为3年。

[0015] 本发明的碳纳米管（CNT）生物净化水体的材料的制备方法，包括：依照上述的配比备料，首先通过造粒方法将微生物芽孢杆菌固定和保护。之后，将生物质发电厂燃烧之后产生的灰渣或草木灰，碳纳米管（CNT），光触媒，沙子或碎石子，造粒保护的微生物芽孢杆菌，及高标准水泥均匀混合搅拌后，利用成型制砖机压成生物质净化砖。

[0016] 本方法制得的生物质净化砖一般在10℃~70℃范围内可以正常发生反应，有效进行净化。

[0017] 通过生物质发电产生的生物质灰里含有的Mg、Ca、Al的氧化物的化学反应机能吸附固定磷，利用碳纳米管CNT吸附氮化合物和有机化合物，利用光触媒分解净化砖表面的有机和无机物质，防止多孔通道堵塞，保障净化砖的物质循环的畅通。微生物芽孢杆菌分解氮化合物和有机化合物，但不分解无机磷化合物。

[0018] 本发明的特点之一是同时使用植物灰、碳纳米管，光触媒和微生物菌等机能材料创造高性能水质净化砖，实现寿命长成本底的目标。

[0019] 本发明的另一个特点是不需要大规模的设备，初期费用投资较少，利用环境友好型材料发挥自然净化作用，实现良好的节能效果。

[0020] 常规的水净化方式都需要大规模设备、用地、效果评价需要较长的时间，本发明采用的技术可以有效地规避上述问题，在较短的时间内即可达到预期的效果。一般性方法对水质这一课题进行评价需要很长的周期，这是大规模湖水净化项目不可避免的问题，但本发明方法是同类解决方法中最具效率的。关于水质改善的目标，可在参照国家标准降低一个等级的基础上使COD、BOD、磷、镁等具体目标值减少20％。

[0021] 本发明运用纳米技术（碳纳米管）、植物性灰渣、微生物菌等有利于环保的技术及材料对富营养化水质进行净化处理，不仅净化效果很好，而且兼顾了环保性，因为材料的主要部分是生物质发电厂产生的灰渣。同时与其他方法不同的是本技术不需要大型设备，减少初期投资以及通过利用环保材料与自然净化作用的相乘效应，维护管理费用减低，实现较高的性价比，是可持续发挥效果的最佳应用技术。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

[0023] 净化砖由生物质发电厂的灰渣或草木灰、水泥、沙子(硅藻土最为理想)，或碎石子、碳纳米管、光触媒和枯草芽孢桿菌等制成，其具体的重量百分比组成见表1。所采用的生物质发电厂的灰渣或草木灰为利用生物质发电后产生的植物性灰渣，水泥为500号以上的高标准水泥，碳纳米管为市售（例如Nanocyl NC7000,Belgium），光触媒分别为纳米二氧化钛（TiO2），纳米氧化锌（ZnO），纳米二氧化锆（ZrO2）和纳米硫化镉（CdS），纳米银/氯化银(Ag/AgCl)，纳米银/溴化银(Ag/AgBr)或纳米银/碘化银(Ag/AgI)。

[0024] 首先，依照表1中的配比备料，通过造粒方法将微生物芽孢杆菌固定和保护。之后，将生物质发电厂燃烧之后产生的灰渣或草木灰，碳纳米管（CNT），光触媒，沙子或碎石子，造粒保护的微生物芽孢杆菌，及高标准水泥均匀混合搅拌后，利用成型制砖机压成生物质净化砖。所得到的生物质净化砖为多孔结构，尺寸选定为400*400*150mm，重量在20~25千克。

[0025] 为了对比说明使用效果，将不同组成的净化砖和对比砖放入人工水池，2个月（6月15日-8月15日），平均水温20℃，平均日照日间6小时。净化砖与池水比例为净化砖/池水总体积为1/20，体积比。池水为封闭水域，池水由自然水池引水采取。净化砖1-12和对比砖1*-4*的重量百分比组成和使用效果如表1-表4所示。

[0026] 通过表1-表4可以看到，本发明的净化砖运用纳米技术（碳纳米管）、植物性灰渣、微生物菌等有利于环保的技术及材料对富营养化水质进行净化处理，不仅净化效果很好，而且兼顾了环保性。同时本技术初期投资少，维护管理费用低。

[0027] 表1、净化砖1-3，对比例1*的重量百分比组成和使用效果

[0028]

[0029] 表2、净化砖4-6，对比例2*的重量百分比组成和使用效果

[0030]

[0031] 表3、净化砖7-9，对比例3*的重量百分比组成和使用效果

[0032]

[0033] 表4、净化砖10-12，对比例4*的重量百分比组成和使用效果