技术领域
[0001] 本
发明涉及一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖及其制备方法,属于环保材料技术领域。
背景技术
[0002] 随着区域人口
密度的增加和社会经济的迅速发展,生活和工业污水的
排放量快速上升,大量未经处理或处理不完全的污水直接排入河流、湖泊等
水体中,导致河流湖泊水体水质的全面恶化。在农村,化肥、
农药等农业投入品过量使用,畜禽
粪便、
农作物秸秆和农田残膜等农业废弃物不合理处置,导致农业面源污染日益严重,加剧了
土壤和水体污染
风险。对水环境的修复和保护已成为我国乃至世界亟待解决的问题。目前常用的水体生态修复措施有人工曝气、
氧化塘、人工生态浮床技术等,其中人工生态浮床技术利用自然
生态系统中物理、化学和
生物的三重作用实现对污水的
净化,在降解水体污染、美化景观等方面发挥了非常好的作用,目前已成为河湖受污染水体生态修复与净化处理常用的原位处理技术。
[0003] 人工生态浮床,又被称为人工生物浮床、生物浮岛等,近年来大量应用于受污染河流、湖泊的生态修复和
整治工程中。它的净化机理是通过
植物根系对污染物的直接吸收以及植物根系表面附着的
微生物对水体中的营养物质的分解代谢作用,将水体中营养物质和污染物进行吸收和转化,从而实现改善水质和修复水生态系统的目的。目前所广泛使用的浮床的结构形式、排布方式和外形都有多种类型,且各种具有增强净化能
力的生态浮床也在不断涌现,但其漂浮载体大多采用
泡沫塑料、竹子、工程塑料等轻质或中空材料制成,漂浮载体只提供
浮力和植物生长区域限制功能,本身不具备任何水质净化功能。
[0004] 生物净化技术是目前广泛使用的一种污染物原位拦截技术,生物填料表面形成的活性
生物膜对水体中的氮、磷等营养物质进行截留和固定,并通过生物膜表面附着的微生物将污染物进行分解代谢成为无害物质重新释放到水中,从而实现水质净化的目的。多孔透水材料具有良好的透水、透气性能,同时具有极大的
比表面积,可有效的提升生物净化效率,是生物净化技术的优良载体。如能将多孔材料运用于生态浮床装置上,使得人工生态浮床技术与生物净化技术有机结合,可显著提高浮床装置的净化效率,降低浮床布设成本,对改善城市及乡村河道水体的污染状况具有积极的意义。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是,提供一种重量轻、密度低、比表面积大的可漂浮于水面的轻质多孔生态砖;进一步地,本发明提供一种不但可漂浮于水面上作为水生植物的生长载体,而且孔表面形成的生物膜具有较好的水质净化效果,结合植物根系的吸收净化作用,水质净化效率可达普通水生植物净化的2~3倍的可漂浮于水面的轻质多孔生态砖;更进一步地,本发明提供一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖的制备方法,该法制作简单、使用方便、适用于各种水体条件,适合进行大规模生产生态砖。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖,其特征在于,包括多孔基体,所述多孔基体的孔隙中镶嵌有发泡颗粒,所述多孔基体内上下向贯穿式设置有若干种植孔,所述多孔基体表面
覆盖有保护层。
[0007] 所述多孔基体为聚
氨酯泡沫表面外包
混凝土层的结构;所述多孔基体为方形。
[0008] 所述种植孔内放置有
种子和
棉团,所述棉团位于所述种子的下面。
[0010] 所述发泡颗粒包括粒径为1~1.5mm的可发性聚苯乙烯颗粒。
[0011] 所述聚氨酯泡沫的孔隙率为15~20PPI。
[0012] 一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:S01,在冲床上将所述聚氨酯泡沫裁剪为方形,且高度方向上开设若干所述种植孔;
S02,将裁剪好的所述聚氨酯泡沫放入振动式的模具中,将适量所述发泡颗粒缓慢均匀的倒入所述模具中,使所述发泡颗粒全部进入到所述聚氨酯泡沫的孔隙中;
S03,向所述模具中加入适量水,并将所述模具放入烘箱中,在90~120℃下保温30~50分钟,待加入的所述发泡颗粒完全发泡后,待冷却后从模具中取出,以防止所述聚氨酯泡沫
变形;
S04,将
水泥、河砂、短切玻璃
纤维、羧甲基
纤维素和水按照50: 80: 3: 5: 200的
质量比投入
搅拌机搅拌至少10分钟,形成均匀混合浆料;
S05,将已嵌入所述发泡颗粒的所述聚氨酯泡沫浸渍于所述混合浆料中,并反复
挤压,使所述混合浆料完全进入所述聚氨酯泡沫的孔隙中,取出后放在
振动台上去除多余的所述混合浆料,重复本步骤3~4次后,置于自然环境中
固化15~20天,每天喷水养护,形成所述混凝土层;
S06,在所述种植孔内塞入所述棉团,并放入所述种子,所述混凝土层外面用无纺布覆盖,即制成轻质多孔生态砖。
[0013] 所述模具包括用于放置所述聚氨酯泡沫的外模,所述外模为两端开口的方管,所述外模活动设置于底座上,所述底座上垂直设置有若干用于穿过所述种植孔的芯棒,所述底座位于振动板上,所述振动板下表面通过
弹簧与振动台
支架相连,所述振动板下表面设置有振动
电机,所述振动台支架与地基相连。
[0014] 所述聚氨酯泡沫裁剪尺寸为长×宽×高=400×300×400mm;所述种植孔的个数为至少8个,所述种植孔的孔径均为30~40mm;所述发泡颗粒的加入量为100~120g;S03中水的加入量为20~30ml。
[0015] 所述河砂的粒径为60~80目;所述短切玻璃纤维的长度为2~5mm。
[0016] 本发明具有以下有益效果:1)采用聚氨酯泡沫浸渍法制备的轻质多孔生态砖具有较高的孔隙率和比表面积,且混凝土包覆层表面易形成牢固的生物膜。同时轻质多孔生态砖具有较高的开孔率,水可进入砖体内部,水-固
接触面积大,
水力停留时间长,可有效的降低水体中氨氮等富营养物质的含量,具有较高的净化效率。
[0017] 2)通常具有较高开孔率的多孔砖较难在水面漂浮,本发明采用聚苯乙烯发泡颗粒镶嵌于多孔基体中的方法,使得所制备的多孔砖不但保持较高的开孔率,而且还可漂浮于水面上,适合作为水生植物的承载基体。
[0018] 3)水生植物的根系可在轻质多孔生态砖内生长,使得本轻质多孔生态砖同时具备生物膜净化和植物根系吸收的双重功能,具有较高的水质净化效率。
[0019] 4)本发明将植物种子预置于砖体内部,使用时可将轻质多孔生态砖直接投放到水体中,种子遇水后可自然成长,无需人工干预,节省了人工维护成本,且使用方便。
[0020] 5)本发明可根据环境需要选择不同的植物种类,也可按用户需要组合成任意形状,在水质净化的同时兼具水体景观功能,适用性强。
[0021] 6)本发明制造方便、成本低、耗费资源少、无二次污染,适合于大批量制造。
[0022]
说明书附图图1为本发明中种子未生长状态的结构示意图;
图2为本发明中种子已生长状态的结构示意图;
图3为本发明中模具的结构示意图;
图4为本发明中多个轻质多孔生态砖的装配示意图;
图5为本发明与纯植物根系的水体净化效果对比曲线图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0024]
实施例1:如图1~图5所示,一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖,包括多孔基体5、发泡颗粒6、种植孔9、种子7、棉团8和保护层3。所述多孔基体5为长方体,且为聚氨酯泡沫14表面包裹混凝土层结构。所述发泡颗粒6镶嵌于多孔基体5中,所述种植孔9相互平行,棉团8和种子7均放置于种植孔9内,砖体表面覆盖有保护层3。所述保护层3为无纺布。所述发泡颗粒6为粒径为
1.5mm的可发性聚苯乙烯颗粒。所述聚氨酯泡沫14的孔隙率为15PPI,15PPI即为平均孔径为
1.69mm。
[0025] 模具包括用于放置所述聚氨酯泡沫14的外模12,所述外模12为两端开口的方管,所述外模12活动设置于底座16上,所述底座16上垂直设置有若干用于穿过所述种植孔9的芯棒13,所述底座16位于振动板17上,所述振动板17下表面通过弹簧18与振动台支架19相连,所述振动板17下表面设置有振动电机20,所述振动台支架19与地基21相连。
[0026] 外模12为两端开口的空心不锈
钢方管,内部尺寸为长×宽×高=400×300×400mm,壁厚6mm。
[0027] 芯棒13直径为30mm,高度400mm,采用
不锈钢管制造。
[0028] 底座16的尺寸长×宽=500×500mm,厚度10mm,8根芯棒13垂直固定于底座16上,外模12通过限位槽与底座16连接。
[0029] 振动台包括振动板17、弹簧18、振动电机20和振动台支架19。所述振动板17为正方形钢板,振动电机20安装于振动板17下方中心
位置,功率400W,转速3800转/分钟。
[0030] 振动板17通过若干弹簧18与振动台支架19连接,振动台支架19固定于地基21上。
[0031] 一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖的制备方法,采用15PPI聚氨酯泡沫14、425号
硅酸盐水泥作和建筑用河砂作为基体材料,采用平均粒径为1.5mm的可发性聚苯乙烯颗粒作为镶嵌材料,采用苦草作为承载植物制备了轻质多孔生态砖,并在室内实验水槽中应用。轻质多孔生态砖的制造和工程应用过程如下:(1)在冲床上将孔隙率为15PPI(平均孔径为1.69mm)的聚氨酯泡沫14裁剪为长×宽×高=400×300×400mm的方
块,且高度方向上开设有8个通孔(即种植孔9),孔径均为30mm;(2)将裁剪好的聚氨酯泡沫14块放入外模12中,插入芯棒13,并将模具放置与振动台上;(3)开启振动电机20,并将100克粒径为1.5mm的可发性聚苯乙烯颗粒缓慢均匀的倒入模具中,待颗粒全部进入到聚氨酯泡沫14中后,关闭振动电机20(;4)向模具中加入20ml水,并将模具放入烘箱中,在90℃下保温30分钟,待加入的可发性聚苯乙烯颗粒完全发泡后,待冷却后从模具中取出,以防止泡沫变形(;5)将水泥、河砂(60目过筛)、短切玻璃纤维(长度2mm)、
羧甲基纤维素、水按照50: 80: 3: 5: 200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟,形成均匀混合浆料;(6)将已嵌入发泡颗粒6的聚氨酯泡沫14浸渍于混合浆料中,并反复挤压,使浆料完全进入泡沫孔洞中,取出后在振动台上去除多余浆料,重复本步骤3~4次后,置于自然环境中固化20天,每天喷水养护(;7)在种植孔9内塞入棉团,并放入苦草植物种子7,砖外面用无纺布覆盖,即制成轻质多孔生态砖。如图4所示,用边框11将9块轻质多孔生态砖组合成长方形浮床,并在光照和静水条件下养殖20天,使得苦草根系发育完整,且多孔砖表面生长出生物膜。将浮床固定于
循环水槽中,在流速为1cm/s的流速下进行氨氮降解实验,同时与具有相同
植物量的普通浮床净化效率进行对比,其水体氨氮浓度变化对比曲线如图5所示。从对比曲线可以看出,采用本发明的多孔轻质生态砖作为植物浮床承载基体,其污染物降解效率是普通浮床根系净化效率的2~3倍,且起效快,实施效果明显。
[0032] 实施例2:如图1~图5所示,一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖,包括多孔基体5、发泡颗粒6、种植孔9、种子7、棉团8和保护层3。所述多孔基体5为长方体,且为聚氨酯泡沫14表面包裹混凝土层结构。所述发泡颗粒6镶嵌于多孔基体5中,所述种植孔9相互平行,棉团8和种子7均放置于种植孔9内,砖体表面覆盖有保护层3。所述保护层3为无纺布。所述发泡颗粒6为粒径为
1mm的可发性聚苯乙烯颗粒。所述聚氨酯泡沫14的孔隙率为20PPI,20PPI即为平均孔径为
1.27mm。
[0033] 模具包括用于放置所述聚氨酯泡沫14的外模12,所述外模12为两端开口的方管,所述外模12活动设置于底座16上,所述底座16上垂直设置有若干用于穿过所述种植孔9的芯棒13,所述底座16位于振动板17上,所述振动板17下表面通过弹簧18与振动台支架19相连,所述振动板17下表面设置有振动电机20,所述振动台支架19与地基21相连。
[0034] 外模12为两端开口的空心不锈钢方管,内部尺寸为长×宽×高=400×300×400mm,壁厚6mm。
[0035] 芯棒13直径为40mm,高度400mm,采用不锈钢管制造。
[0036] 底座16的尺寸长×宽=500×500mm,厚度10mm,8根芯棒13垂直固定于底座16上,外模12通过限位槽与底座16连接。
[0037] 振动台包括振动板17、弹簧18、振动电机20和振动台支架19。所述振动板17为正方形钢板,振动电机20安装于振动板17下方中心位置,功率400W,转速3800转/分钟。
[0038] 振动板17通过若干弹簧18与振动台支架19连接,振动台支架19固定于地基21上。
[0039] 一种可漂浮于水面的轻质多孔生态砖的制备方法,采用20PPI聚氨酯泡沫14、425号
硅酸盐水泥作和建筑用河砂作为基体材料,采用平均粒径为1mm的可发性聚苯乙烯颗粒作为镶嵌材料,采用苦草作为承载植物制备了轻质多孔生态砖,并在室内实验水槽中应用。轻质多孔生态砖的制造和工程应用过程如下:(1)在冲床上将孔隙率为20PPI(平均孔径为
1.27mm)的聚氨酯泡沫14裁剪为长×宽×高=400×300×400mm的方块,且高度方向上开设有8个通孔(即种植孔9),孔径均为40mm(;2)将裁剪好的聚氨酯泡沫14块放入外模12中,插入芯棒13,并将模具放置与振动台上;(3)开启振动电机20,并将120克粒径为1mm的可发性聚苯乙烯颗粒缓慢均匀的倒入模具中,待颗粒全部进入到聚氨酯泡沫14中后,关闭振动电机20;(4)向模具中加入30ml水,并将模具放入烘箱中,在120℃下保温50分钟,待加入的可发性聚苯乙烯颗粒完全发泡后,待冷却后从模具中取出,以防止泡沫变形(;5)将水泥、河砂(80目过筛)、短切玻璃纤维(长度5mm)、羧甲基纤维素、水按照50: 80: 3: 5: 200的质量比投入搅拌机搅拌10分钟,形成均匀混合浆料;(6)将已嵌入发泡颗粒6的聚氨酯泡沫14浸渍于混合浆料中,并反复挤压,使浆料完全进入泡沫孔洞中,取出后在振动台上去除多余浆料,重复本步骤3~4次后,置于自然环境中固化15天,每天喷水养护(;7)在种植孔9内塞入棉团,并放入苦草植物种子7,砖外面用无纺布覆盖,即制成轻质多孔生态砖。如图4所示,用边框11将9块轻质多孔生态砖组合成长方形浮床,并在光照和静水条件下养殖20天,使得苦草根系发育完整,且多孔砖表面生长出生物膜。
[0040] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。