2024年4月24日发(作者：抗晓)

分析与测试

合成纤维工业，

2019,42(1 ) :80

CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY

改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

徐大为1许小红1蒋素英2吴智仁1张波〃

(

1.

江苏大学环境与安全工程学院

，

江苏镇江

212013;.

江苏艾特克环境工程

设计研究院有限公司，江苏宜兴

214214)

摘要

：为了探究改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能，研究了改性玄武岩纤维填料的结构及其吸水性

能、充氧性能、表面自由能、亲水性能等，并与弹性填料、组合填料的性能进行对比。结果表明:改性玄武岩纤

维填料中含有亲水基团，且表面比较粗粮

;

改性玄武岩纤维填料具有较高的含水率和回潮率,分别为

64. 8%

，

11.32%,

其干燥速率低于弹性填料和组合填料

;

改性玄武岩纤维填料在

20 ^

下的氧总传质系数为

0.383 7

min—1 ,

高于组合填料的

0.357 2 min-1 ,

低于弹性填料的

0.421 4 min-1 ;

改性玄武岩纤维填料与水的接触角

为

60. 52°

均低于其他两种填料，其表面自由能也最高。

关键词

：玄武岩纤维改性水处理组合填料弹性填料结构性能

中图分类号

：

TQ343.41

文献标识码

：

A

文章编号

：

1001-0042(2019)01-0080-04

近年来，玄武岩纤维作为一种纯天然、无污染

环境友好型材料，因其具有耐酸碱、耐腐蚀以及良

好的化学稳定性等优点[1]，被广泛应用于建筑、

消防、环保、航空航天等军工及民用领域[2]。而

在废水处理方面，这种材料可以作为生物填料用

于生物接触氧化工艺中[3—4]。作为微生物赖以栖

息繁衍场所的填料，是水处理工艺中关系水处理

效果的不可缺失的环节[]。填料的种类、结构、

理化性能等都是影响水中污染物降解效率的重要

因素[]。因此，玄武岩纤维填料理化性能的优劣

将会直接影响到其作为生物接触氧化载体的实际

应用效果。人们常常对玄武岩纤维材料进行改

性，以增加其表面含氧基团，提高其作为水处理填

料对于微生物的亲和性[]。

为了探究所开发的改性玄武岩纤维水处理填

料[]的理化性能，作者测试了其吸水性能、充氧

性能、亲水性能等，并与被认为作为水处理填料材

料性能比较优越且已经广泛应用于市场的弹性填

料、组合填料进行对比，更进一步了解改性玄武岩

纤维作为水处理填料的特点，为这种填料实际推

广应用提供一定的理论参考。

1实验

亚硫酸钠、六水氯化钴、溴化钾、乙醇:均为分

析纯，国药化学试剂有限公司提供。

组合填料、弹性填料:广州市绿烨环保有限公

1.2测试方法

红外光谱:将烘干后的填料剪碎，研磨至粉末

状，加入适量的

KBr

粉末混合均勻，充分研磨后

压片，抽真空条件下采用美国

Nicolet

公司的

Nicolet

Nexus

470红外光谱仪进行测定。

填料

司产;未改性玄武岩纤维:浙江石金玄武岩纤维有

限公司生产;改性玄武岩纤维填料:江苏大学和艾

特克控股集团股份有限公司联合研发。3种填料

的构造性能参数见表1。

表1填料的物理性能指标

Tab. 1 Physical index of fillers

mm

悬挂密度

/

比表面积

/

(串

i-2)

(m2 • m _3 )

25

25

25

300

2 479

2 600

主要

成成

纤维

醛化软性纤维束

聚烯烃类或聚酰胺

改性玄武岩

-

纤维

料

组合填料

弹性填料

40

150

注

:

直径均为

200 mm

。

表面形貌：使用日本电子株式会社的

Jol

-

Jem

-7001

F

扫描电子显微镜，经过抽真空程序后，

对玄武岩连续纤维填料进行喷金5

mi

，扫描加速

电压设为15

kV

，真空度选定为10 _3

Pa

。*

收稿日期：

2018-09-17;

修改稿收到日期

:2018-12-03

。

作者简介：徐大为（

1991

一）男，在读研究生，主要从事水

处理技术研究。

E-mail:1042035680@qq. .om

。

基金项目：国家科技支撑项目（

2014BAC08B01);

国际合作

项目（

2016YFE0126400);

江苏省重点研发计划项目（社会

发展）（

BE2016636

)。

*

通信联系人。

E-mail:tabol@

。

1.1试剂与材料

第1期徐大为等.改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

81

(^):称 的填料试

馏水中，浸泡2

h

| 料试样充 湿，

料试样，在自然状态

心 离心

中 110

°c

蒸

*

2结果与讨论

由图1可以发现，在800〜1 400

cm

— 1处出现

2.1改性玄武岩纤维填料的红外光谱

的吸收峰，而硅类化合物的强吸收峰主要

集中在1 000

cnT

1左右，说明改性 纤维填

料主要由硅类化合物构成。其中80

cnT

1处的

峰为

Si

—

C

键 或

C

一

H

键的面外变 ：

后以3 500

r

/

min

的离

15

min

后立即称重，放入105〜

1

h

，冷却30

min

后称重。测试

x

100

% (

1

)

温度为20〜25 °

C

。计算公式如下：

W = [(m, - m2)/m2]

式中：％为湿填料质量；％为干填料质量。

:在相同的

湿度（1% ±5%)

（（25±5)°

C

)，相对

蒸馏水，滴加相同

的特征峰

，

1 20

cm

^处的峰为

Si

—

C

键变形振

动特征峰[10]

，

1 015

cnT

1处是由于

Si

—0—

Si

，

Si

—0—

C

键引起的变 吸收峰

，

1 350

cm

— 1

到 的改性 纤维填料、组合填料及

性填料上，对滴加了相同 的水滴的填料进

称重，记录总 ，然后 20

min

后：行

称重，记录其 间的 的变化情况，画出

。

回 （^): 的纤维填料在20

C

、

相对湿度65%恒温恒湿箱中放置24

h

后称重，置

为105

C

的 中 1

h

称重，再置

，之后每隔0. 5

h

称重直至纤维连续两次

称重之差小于后 称重0.1%时，即为 纤

维填料质量(烘干时间共计2

h

)计算公式如下：

R =

(m

3

- m4)/m4 x

100

% (

2

)

式中

：m

3

为烘前填料质量

；m

4

为烘干填料质量。

充氧性能:采用间歇 态实验方法 充

性能的实验研究，评价指标主要采用2

C

下的

总传质系数（&

a

(

20

))对 化填料的 ^

特性 评价。是指在标准状态下，殳

备在单 间向单 的 中传递氧的总

，也称为氧的总传质系数，计算公式如下：

v

2

.

3

031

Cs ~ ^0

(3)

(3)

式中

：

C

s

为水中饱和溶解氧浓度；

C

为初始溶解

浓度；

C

为

t

时间的 浓度。

为了 研究，对其 修正，将不同温

的氧总传质系数统一为20°

c

时的氧传质系

数（心

a

(2))，具体方法参见相关参考文献[9]。

其中长方 容器中的自来水为100

L

左右，

控制在15

L/min

，3种填料的填充比均约

为50%，水温为16. 5〜17. 6 °

C

，

Cs

为9. 47〜

9.72

mg

/

L

， 料进行3次重复实验，取其平

。

： 纤维填料拉成单丝固

东莞市 密仪器有限公司制造的

DC

-100接触

测定仪上，采用水滴悬滴法测定材料的 。

的吸收峰为0—

H

引起的 特征

峰

，

1 735

cm

—的吸收峰为羰基 特征峰。

在3 000

cnT

1处出现的吸收峰为烷烃基团中的

C

—

H

特征峰，在 3 500,3 715

cm

— 1 丑

的吸收峰，是 纤维经过改性 对于

很强的吸收产生自由羟基的结果[1]。羟基

及

C

=0双键的 ， 纤维填料

对微生物产生更高的 性。

图1改性玄武岩纤维填料的红外光谱

Fi/. 1 Infrared spectrum of modified basalt fiber fille/

2.2玄武岩纤维填料的表观形貌

由图2可看出，与未改性的 纤维填料相

，改性 纤维填料 粗糙，在其表面

为均匀地布 的颗粒状物质，使纤维 带

基团

C

一0与一0

H

，增加了 官能团，这

更 高 纤维对于微生物的吸附[12]。

a

.未改性玄武岩纤维

b

.改性玄武岩纤维

图2未改性和改性后的玄武岩纤维填料的

SEM

照片

Fi/. 2 SEM ima/es of unmodified and modified basalt fiber fillers

82

合成纤维工业

2019年第42卷

2.3填料的吸水性能

2.3.1

填料的

W

由表2可

以

看

出

，改性玄武岩纤维填料的

W

为64. 8%，与组合填料的

W

65. 7%相差不大，远

远大于弹性填料的24. 1%，说明改性玄武岩纤维

填料有较好的吸水能力。这是由于玄武岩纤维填

料经过改性，含有羟基和羧基，具有较好的亲水

性，而弹性填料主要成分为聚烯烃类，亲水基团较

少的缘故。

料次之，弹性填料最差。其原因与上述填料的含

水率原因相似，即与填料的结构有关的缘故。

3

Tab. 3

表

填料的

K

R

of fillers

R

，

％

11.32

10.65

6.73

料

改性

合料

性料

纤维

料

2.4填料的充氧性能

2

表填料的

疋

由表4可见，在曝气量相同的情况下，池体中

Tab. 2

W

of fillers

填料

W ,%

改性玄武岩纤维填料

64.8

合料

65.7

弹性填料

24. 1

2.3.2

填料的

干

燥速率

由图3可以看出：改性玄武岩纤维填料的干

燥速率最慢，即吸水性最强，在60

min

时，其填料

中剩余水分仍然为97%左右，组合填料剩余水分

为91%，弹性填料为46. 5%左右;改性玄武岩纤

维填料和组合填料其剩余水分变化转折点2 80

min

，最终在200

min

时完全干燥，而弹性填料的

剩余水分从刚开始直线下降，且直线斜率较大，在

120

min

。 说 性 料 的

决

o

0

o

8

o

6

o

4

o

2

_______

I

________

I

、^A

A

A

A

■ ■

0 40 80 120 160 200 240

干燥时间

/min

图3填料的干燥速率

Fig. 3 Drying rate of fillers

■

一改性玄武岩纤维填料；

•

一组合填料；▲一弹性填料

2.3.3 填料的只

填料的^越大，其吸湿能力越强。由表3可

以看出，改性玄武岩纤维填料的^ 2 11.32%，在

此3种填料中其值最大，由此可说明，改性玄武岩

纤维填料吸湿能力在这3种填料中最好，组合填

有填料填充时其心始终大于无填料填充时的

心

a

值。弹性填料在池体中的值最高，改性

玄武岩纤维填料居中，组合填料的最小。究其原

因是组合填料是由中心塑料环夹杂软性纤维束而

成，虽带有不规则孔洞的塑料环对池体中的气泡

具有一定的截获和切割作用，但相较于整体结构

来说，该部分所占的填充比例较小，塑料环上夹杂

的软性填料在曝气的冲击下，对气泡的上升产生

阻碍和切割作用，气泡的气液接触面积并未得到

明显增加，因此，组合填料的填充对尺^2。）影响不

大。而改性玄武岩纤维填料本身具有较强的力学

性质，能够抗拒强剪切力，再布水布气能力强。因

此通过填料的充氧性能实验结果可看出，改性玄

武岩纤维填料在池体中具有较好的充氧性能。

表

4

填料的充氧性能

Tab. 4 Oxygenation capacity of fillers

填料类型

[La(20) /min_1

无填料填充

0.3374

改性

纤维

料

0.3837

合料

0.3572

弹性填料

0.4214

2.5填料的亲水性能

材料与水的接触角大小能反应其亲水性，当

接触角大于90°时，材料表现为疏水，当接触角小

于90°时，材料表现为亲水，接触角越小，亲水性

越强[13]。由图4可以得知，改性玄武岩纤维填

料、组合填料、弹性填料的接触角分别为60. 52°，

66. 72〇，63. 36。，3种填料接触角都小于90。，说明

3种填料均都具有较强的亲水性，其中亲水性

最强的为改性玄武岩纤维填料。填料亲水性

强，有利于生物膜附着，而不易脱落。张世举

等[14]研究结果表明，材料的表面自由能与其接触

角有一定的关系，通常来说，材料的接触角越小，

其浸润性越好，表面自由能越高。改性玄武岩纤

最

第1期徐大为等.改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

83

维填料 最小，所以改性玄武岩纤维填料的

[1]

参考文南

O

由能最高。

雷静，党新安，李建军

.

玄武岩纤维的性能应用及最新进展

[J] •

化工新型材料，

2007，35 (3) : - 11 •

[2]

胡显奇，申屠年

.

连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用

[J] •

高科技纤维与应用，

2005

，

30(6) : - 13.

[3]

蒋霞，吴春笃，吴智仁，等

.

玄武岩纤维填料在废水处理中的

应用

[J].

合成纤维工业，

2015，38 (5) : 16 -20.

a

.改性玄武岩纤维

b

.组合填料

c

.弹性填料

[4] Sokolinskaya M A,Zabava L K,Tsybulya T M,et al. Strength

properties of basalt fibers [ J ]. Glass Ceram

，

1991，48 ( 10

)：

435 -437.

图4 3种填料的接触角

Fig. 4 Contact angle of three kinds of fillers

[5]

蔡笠

.

几种填料在生物接触氧化工艺中的应用特性及工艺

3结论

a

.红外

改良研究

[D ].

哈尔滨

:

哈尔滨工业大学，

2011.

，经过改性的 纤维中

[6]

李晓晨，吴成强，杨敏，等

.

用于生物接触氧化工艺的填料特

性比较研究

[J].

环境工程学报，

2005,6(1) :4 -46.

[7]

[J] •

高科技纤维与应用，

2015

，

40( 1) :4 -28.

[8]

羰基、羟基等 基

生的吸收峰，同时

SEM

照

纤维填料

生 的

b

改性

引起的 产

经过改性的 （

，这种填料对

高的

W

和^

低的 ，

为水

郭晶盛，杨建忠，姚一军

.

连续玄武岩纤维改性方法的研究

粗糙，综合

性 。

纤维填料

张波，蒋霞，吴春笃，等

.

一种水体净化用生物载体：中国

104176822A[P]. 2014 -12 -03.

[9]

蒋晓阳，熊文军，黄凯，等

.

竹制填料的充氧性能试验研究

[J].

中国给水排水，

2013,29(19) :1 -84.

[10]

张晓红，李英

.

稳定的硅碳双键化合物的合成及其抗菌性能

分别为64. 8% ,11.32%，

这种填料 很好的吸水性能，从

理填料时其挂膜 高。

C

.〕

的研究

[J].

西北大学学报：自然科学版，

1995,25 (5 ):

447 -450.

[1 ]

彭娇

.

玄武岩纤维生物载体表面改性及性能研究

[D

].苏

15

L

/

mini

，水池中有填料

充的其充氧性能始终优于无填料填充的;而在

料填充 同 ，改性 纤维填料、组

合填料、弹性填料的心

a

。）分别为〇. 383 7,

0.357 2，0. 421 4

min

-1，与组合填料相比，改性玄

武岩纤维填料也

d

.:

州：江苏大学，

2015.

[2]

许志至，许小红，吴向阳，等

.

纳米

Si

〇

2

分散液表面改性玄

纤维

17.

的研究

[J].

合成纤维，

2016,45 (10):15 -

[3] Gao Zhiyong, Sun Wei, Hu Yuehua, et al. Anisotropy surface

broken bond properties and wettability of calcite and fluorite

crystals ( English) [ J ]. Trans Nonferrous Metal Soc Chin

，

2012,22(5) ：1203 -1208.

[4]

张世举，程延海，邢方方，等

.

接触角与表面自由能的研究现

高的氧的传质能力。

合填料两种

，纤维填料有更小的

由能。

性能方面，与弹性

，改性 料

产生更高的

状与展望

[J].

煤矿机械，

2011,32(10) : -10.

Physicochemical properties of modified basalt filler water treatment filler

Xu

Dawei1，Xu

Xiaohong1，Jiang

Suying2，Wu

Zhiren

1 ,

Zhang

Bo

1

(1

. School of the Environment and, Safety Engineering

，

Jiangsu University

，

Zhenjiang

212013 ;2

.

Jiannsu ATK Institute of Environmental Ennineering Design

，

Yixing

214214)

Abstract

：

In

order

to

explore

the

physical

and

chemical

properties

of

water

absorption

performance

,

oxygenation

performance

，

surface

free

energy

and

hydrophilic

property

of

basalt

fiber

filler

were

studied

and

compared

with

elastic

filler

and

combined

filler

.

The

results

showed

that

the

modified

basalt

fiber

filler

contained

hy

­

drophilic

groups

and

exhibited

rough

surface

；

the

modified

basalt

fiber

filler

had

the

relatively

high

water

content

and

moisture

re

­

gain

of

64. 8%

and

11.32% ,

the

drying

rate

lower

than

that

of

elastic

filler

and

combined

filler

；

the

modified

basalt

fiber

filler

had

the

oxygen

mass

transfer

coefficient

of

0. 383 7

min

_1

at

20

°C

,

higher

than

the

value

of

combined

filler

, 0. 357 2

min

_1

and

lower

than

the

value

of

elastic

filler

，0. 421 4

min

_1 ；

and

the

modified

basalt

fiber

filler

showed

the

water

contact

angle

of

modified

basalt

fiber

water

trea

60. 52°

,lower

than

those

fo

the

two

other

fillers

，

and

exhibited

the

highest

surface

free

energy

.

Key

words

：

basalt

fiber

；

modification

；

water

treatment

；

combined

filler

；

elastic

filler

；

structure

；

properties

2024年4月24日发(作者：抗晓)

分析与测试

合成纤维工业，

2019,42(1 ) :80

CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY

改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

徐大为1许小红1蒋素英2吴智仁1张波〃

(

1.

江苏大学环境与安全工程学院

，

江苏镇江

212013;.

江苏艾特克环境工程

设计研究院有限公司，江苏宜兴

214214)

摘要

：为了探究改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能，研究了改性玄武岩纤维填料的结构及其吸水性

能、充氧性能、表面自由能、亲水性能等，并与弹性填料、组合填料的性能进行对比。结果表明:改性玄武岩纤

维填料中含有亲水基团，且表面比较粗粮

;

改性玄武岩纤维填料具有较高的含水率和回潮率,分别为

64. 8%

，

11.32%,

其干燥速率低于弹性填料和组合填料

;

改性玄武岩纤维填料在

20 ^

下的氧总传质系数为

0.383 7

min—1 ,

高于组合填料的

0.357 2 min-1 ,

低于弹性填料的

0.421 4 min-1 ;

改性玄武岩纤维填料与水的接触角

为

60. 52°

均低于其他两种填料，其表面自由能也最高。

关键词

：玄武岩纤维改性水处理组合填料弹性填料结构性能

中图分类号

：

TQ343.41

文献标识码

：

A

文章编号

：

1001-0042(2019)01-0080-04

近年来，玄武岩纤维作为一种纯天然、无污染

环境友好型材料，因其具有耐酸碱、耐腐蚀以及良

好的化学稳定性等优点[1]，被广泛应用于建筑、

消防、环保、航空航天等军工及民用领域[2]。而

在废水处理方面，这种材料可以作为生物填料用

于生物接触氧化工艺中[3—4]。作为微生物赖以栖

息繁衍场所的填料，是水处理工艺中关系水处理

效果的不可缺失的环节[]。填料的种类、结构、

理化性能等都是影响水中污染物降解效率的重要

因素[]。因此，玄武岩纤维填料理化性能的优劣

将会直接影响到其作为生物接触氧化载体的实际

应用效果。人们常常对玄武岩纤维材料进行改

性，以增加其表面含氧基团，提高其作为水处理填

料对于微生物的亲和性[]。

为了探究所开发的改性玄武岩纤维水处理填

料[]的理化性能，作者测试了其吸水性能、充氧

性能、亲水性能等，并与被认为作为水处理填料材

料性能比较优越且已经广泛应用于市场的弹性填

料、组合填料进行对比，更进一步了解改性玄武岩

纤维作为水处理填料的特点，为这种填料实际推

广应用提供一定的理论参考。

1实验

亚硫酸钠、六水氯化钴、溴化钾、乙醇:均为分

析纯，国药化学试剂有限公司提供。

组合填料、弹性填料:广州市绿烨环保有限公

1.2测试方法

红外光谱:将烘干后的填料剪碎，研磨至粉末

状，加入适量的

KBr

粉末混合均勻，充分研磨后

压片，抽真空条件下采用美国

Nicolet

公司的

Nicolet

Nexus

470红外光谱仪进行测定。

填料

司产;未改性玄武岩纤维:浙江石金玄武岩纤维有

限公司生产;改性玄武岩纤维填料:江苏大学和艾

特克控股集团股份有限公司联合研发。3种填料

的构造性能参数见表1。

表1填料的物理性能指标

Tab. 1 Physical index of fillers

mm

悬挂密度

/

比表面积

/

(串

i-2)

(m2 • m _3 )

25

25

25

300

2 479

2 600

主要

成成

纤维

醛化软性纤维束

聚烯烃类或聚酰胺

改性玄武岩

-

纤维

料

组合填料

弹性填料

40

150

注

:

直径均为

200 mm

。

表面形貌：使用日本电子株式会社的

Jol

-

Jem

-7001

F

扫描电子显微镜，经过抽真空程序后，

对玄武岩连续纤维填料进行喷金5

mi

，扫描加速

电压设为15

kV

，真空度选定为10 _3

Pa

。*

收稿日期：

2018-09-17;

修改稿收到日期

:2018-12-03

。

作者简介：徐大为（

1991

一）男，在读研究生，主要从事水

处理技术研究。

E-mail:1042035680@qq. .om

。

基金项目：国家科技支撑项目（

2014BAC08B01);

国际合作

项目（

2016YFE0126400);

江苏省重点研发计划项目（社会

发展）（

BE2016636

)。

*

通信联系人。

E-mail:tabol@

。

1.1试剂与材料

第1期徐大为等.改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

81

(^):称 的填料试

馏水中，浸泡2

h

| 料试样充 湿，

料试样，在自然状态

心 离心

中 110

°c

蒸

*

2结果与讨论

由图1可以发现，在800〜1 400

cm

— 1处出现

2.1改性玄武岩纤维填料的红外光谱

的吸收峰，而硅类化合物的强吸收峰主要

集中在1 000

cnT

1左右，说明改性 纤维填

料主要由硅类化合物构成。其中80

cnT

1处的

峰为

Si

—

C

键 或

C

一

H

键的面外变 ：

后以3 500

r

/

min

的离

15

min

后立即称重，放入105〜

1

h

，冷却30

min

后称重。测试

x

100

% (

1

)

温度为20〜25 °

C

。计算公式如下：

W = [(m, - m2)/m2]

式中：％为湿填料质量；％为干填料质量。

:在相同的

湿度（1% ±5%)

（（25±5)°

C

)，相对

蒸馏水，滴加相同

的特征峰

，

1 20

cm

^处的峰为

Si

—

C

键变形振

动特征峰[10]

，

1 015

cnT

1处是由于

Si

—0—

Si

，

Si

—0—

C

键引起的变 吸收峰

，

1 350

cm

— 1

到 的改性 纤维填料、组合填料及

性填料上，对滴加了相同 的水滴的填料进

称重，记录总 ，然后 20

min

后：行

称重，记录其 间的 的变化情况，画出

。

回 （^): 的纤维填料在20

C

、

相对湿度65%恒温恒湿箱中放置24

h

后称重，置

为105

C

的 中 1

h

称重，再置

，之后每隔0. 5

h

称重直至纤维连续两次

称重之差小于后 称重0.1%时，即为 纤

维填料质量(烘干时间共计2

h

)计算公式如下：

R =

(m

3

- m4)/m4 x

100

% (

2

)

式中

：m

3

为烘前填料质量

；m

4

为烘干填料质量。

充氧性能:采用间歇 态实验方法 充

性能的实验研究，评价指标主要采用2

C

下的

总传质系数（&

a

(

20

))对 化填料的 ^

特性 评价。是指在标准状态下，殳

备在单 间向单 的 中传递氧的总

，也称为氧的总传质系数，计算公式如下：

v

2

.

3

031

Cs ~ ^0

(3)

(3)

式中

：

C

s

为水中饱和溶解氧浓度；

C

为初始溶解

浓度；

C

为

t

时间的 浓度。

为了 研究，对其 修正，将不同温

的氧总传质系数统一为20°

c

时的氧传质系

数（心

a

(2))，具体方法参见相关参考文献[9]。

其中长方 容器中的自来水为100

L

左右，

控制在15

L/min

，3种填料的填充比均约

为50%，水温为16. 5〜17. 6 °

C

，

Cs

为9. 47〜

9.72

mg

/

L

， 料进行3次重复实验，取其平

。

： 纤维填料拉成单丝固

东莞市 密仪器有限公司制造的

DC

-100接触

测定仪上，采用水滴悬滴法测定材料的 。

的吸收峰为0—

H

引起的 特征

峰

，

1 735

cm

—的吸收峰为羰基 特征峰。

在3 000

cnT

1处出现的吸收峰为烷烃基团中的

C

—

H

特征峰，在 3 500,3 715

cm

— 1 丑

的吸收峰，是 纤维经过改性 对于

很强的吸收产生自由羟基的结果[1]。羟基

及

C

=0双键的 ， 纤维填料

对微生物产生更高的 性。

图1改性玄武岩纤维填料的红外光谱

Fi/. 1 Infrared spectrum of modified basalt fiber fille/

2.2玄武岩纤维填料的表观形貌

由图2可看出，与未改性的 纤维填料相

，改性 纤维填料 粗糙，在其表面

为均匀地布 的颗粒状物质，使纤维 带

基团

C

一0与一0

H

，增加了 官能团，这

更 高 纤维对于微生物的吸附[12]。

a

.未改性玄武岩纤维

b

.改性玄武岩纤维

图2未改性和改性后的玄武岩纤维填料的

SEM

照片

Fi/. 2 SEM ima/es of unmodified and modified basalt fiber fillers

82

合成纤维工业

2019年第42卷

2.3填料的吸水性能

2.3.1

填料的

W

由表2可

以

看

出

，改性玄武岩纤维填料的

W

为64. 8%，与组合填料的

W

65. 7%相差不大，远

远大于弹性填料的24. 1%，说明改性玄武岩纤维

填料有较好的吸水能力。这是由于玄武岩纤维填

料经过改性，含有羟基和羧基，具有较好的亲水

性，而弹性填料主要成分为聚烯烃类，亲水基团较

少的缘故。

料次之，弹性填料最差。其原因与上述填料的含

水率原因相似，即与填料的结构有关的缘故。

3

Tab. 3

表

填料的

K

R

of fillers

R

，

％

11.32

10.65

6.73

料

改性

合料

性料

纤维

料

2.4填料的充氧性能

2

表填料的

疋

由表4可见，在曝气量相同的情况下，池体中

Tab. 2

W

of fillers

填料

W ,%

改性玄武岩纤维填料

64.8

合料

65.7

弹性填料

24. 1

2.3.2

填料的

干

燥速率

由图3可以看出：改性玄武岩纤维填料的干

燥速率最慢，即吸水性最强，在60

min

时，其填料

中剩余水分仍然为97%左右，组合填料剩余水分

为91%，弹性填料为46. 5%左右;改性玄武岩纤

维填料和组合填料其剩余水分变化转折点2 80

min

，最终在200

min

时完全干燥，而弹性填料的

剩余水分从刚开始直线下降，且直线斜率较大，在

120

min

。 说 性 料 的

决

o

0

o

8

o

6

o

4

o

2

_______

I

________

I

、^A

A

A

A

■ ■

0 40 80 120 160 200 240

干燥时间

/min

图3填料的干燥速率

Fig. 3 Drying rate of fillers

■

一改性玄武岩纤维填料；

•

一组合填料；▲一弹性填料

2.3.3 填料的只

填料的^越大，其吸湿能力越强。由表3可

以看出，改性玄武岩纤维填料的^ 2 11.32%，在

此3种填料中其值最大，由此可说明，改性玄武岩

纤维填料吸湿能力在这3种填料中最好，组合填

有填料填充时其心始终大于无填料填充时的

心

a

值。弹性填料在池体中的值最高，改性

玄武岩纤维填料居中，组合填料的最小。究其原

因是组合填料是由中心塑料环夹杂软性纤维束而

成，虽带有不规则孔洞的塑料环对池体中的气泡

具有一定的截获和切割作用，但相较于整体结构

来说，该部分所占的填充比例较小，塑料环上夹杂

的软性填料在曝气的冲击下，对气泡的上升产生

阻碍和切割作用，气泡的气液接触面积并未得到

明显增加，因此，组合填料的填充对尺^2。）影响不

大。而改性玄武岩纤维填料本身具有较强的力学

性质，能够抗拒强剪切力，再布水布气能力强。因

此通过填料的充氧性能实验结果可看出，改性玄

武岩纤维填料在池体中具有较好的充氧性能。

表

4

填料的充氧性能

Tab. 4 Oxygenation capacity of fillers

填料类型

[La(20) /min_1

无填料填充

0.3374

改性

纤维

料

0.3837

合料

0.3572

弹性填料

0.4214

2.5填料的亲水性能

材料与水的接触角大小能反应其亲水性，当

接触角大于90°时，材料表现为疏水，当接触角小

于90°时，材料表现为亲水，接触角越小，亲水性

越强[13]。由图4可以得知，改性玄武岩纤维填

料、组合填料、弹性填料的接触角分别为60. 52°，

66. 72〇，63. 36。，3种填料接触角都小于90。，说明

3种填料均都具有较强的亲水性，其中亲水性

最强的为改性玄武岩纤维填料。填料亲水性

强，有利于生物膜附着，而不易脱落。张世举

等[14]研究结果表明，材料的表面自由能与其接触

角有一定的关系，通常来说，材料的接触角越小，

其浸润性越好，表面自由能越高。改性玄武岩纤

最

第1期徐大为等.改性玄武岩纤维水处理填料的理化性能分析

83

维填料 最小，所以改性玄武岩纤维填料的

[1]

参考文南

O

由能最高。

雷静，党新安，李建军

.

玄武岩纤维的性能应用及最新进展

[J] •

化工新型材料，

2007，35 (3) : - 11 •

[2]

胡显奇，申屠年

.

连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用

[J] •

高科技纤维与应用，

2005

，

30(6) : - 13.

[3]

蒋霞，吴春笃，吴智仁，等

.

玄武岩纤维填料在废水处理中的

应用

[J].

合成纤维工业，

2015，38 (5) : 16 -20.

a

.改性玄武岩纤维

b

.组合填料

c

.弹性填料

[4] Sokolinskaya M A,Zabava L K,Tsybulya T M,et al. Strength

properties of basalt fibers [ J ]. Glass Ceram

，

1991，48 ( 10

)：

435 -437.

图4 3种填料的接触角

Fig. 4 Contact angle of three kinds of fillers

[5]

蔡笠

.

几种填料在生物接触氧化工艺中的应用特性及工艺

3结论

a

.红外

改良研究

[D ].

哈尔滨

:

哈尔滨工业大学，

2011.

，经过改性的 纤维中

[6]

李晓晨，吴成强，杨敏，等

.

用于生物接触氧化工艺的填料特

性比较研究

[J].

环境工程学报，

2005,6(1) :4 -46.

[7]

[J] •

高科技纤维与应用，

2015

，

40( 1) :4 -28.

[8]

羰基、羟基等 基

生的吸收峰，同时

SEM

照

纤维填料

生 的

b

改性

引起的 产

经过改性的 （

，这种填料对

高的

W

和^

低的 ，

为水

郭晶盛，杨建忠，姚一军

.

连续玄武岩纤维改性方法的研究

粗糙，综合

性 。

纤维填料

张波，蒋霞，吴春笃，等

.

一种水体净化用生物载体：中国

104176822A[P]. 2014 -12 -03.

[9]

蒋晓阳，熊文军，黄凯，等

.

竹制填料的充氧性能试验研究

[J].

中国给水排水，

2013,29(19) :1 -84.

[10]

张晓红，李英

.

稳定的硅碳双键化合物的合成及其抗菌性能

分别为64. 8% ,11.32%，

这种填料 很好的吸水性能，从

理填料时其挂膜 高。

C

.〕

的研究

[J].

西北大学学报：自然科学版，

1995,25 (5 ):

447 -450.

[1 ]

彭娇

.

玄武岩纤维生物载体表面改性及性能研究

[D

].苏

15

L

/

mini

，水池中有填料

充的其充氧性能始终优于无填料填充的;而在

料填充 同 ，改性 纤维填料、组

合填料、弹性填料的心

a

。）分别为〇. 383 7,

0.357 2，0. 421 4

min

-1，与组合填料相比，改性玄

武岩纤维填料也

d

.:

州：江苏大学，

2015.

[2]

许志至，许小红，吴向阳，等

.

纳米

Si

〇

2

分散液表面改性玄

纤维

17.

的研究

[J].

合成纤维，

2016,45 (10):15 -

[3] Gao Zhiyong, Sun Wei, Hu Yuehua, et al. Anisotropy surface

broken bond properties and wettability of calcite and fluorite

crystals ( English) [ J ]. Trans Nonferrous Metal Soc Chin

，

2012,22(5) ：1203 -1208.

[4]

张世举，程延海，邢方方，等

.

接触角与表面自由能的研究现

高的氧的传质能力。

合填料两种

，纤维填料有更小的

由能。

性能方面，与弹性

，改性 料

产生更高的

状与展望

[J].

煤矿机械，

2011,32(10) : -10.

Physicochemical properties of modified basalt filler water treatment filler

Xu

Dawei1，Xu

Xiaohong1，Jiang

Suying2，Wu

Zhiren

1 ,

Zhang

Bo

1

(1

. School of the Environment and, Safety Engineering

，

Jiangsu University

，

Zhenjiang

212013 ;2

.

Jiannsu ATK Institute of Environmental Ennineering Design

，

Yixing

214214)

Abstract

：

In

order

to

explore

the

physical

and

chemical

properties

of

water

absorption

performance

,

oxygenation

performance

，

surface

free

energy

and

hydrophilic

property

of

basalt

fiber

filler

were

studied

and

compared

with

elastic

filler

and

combined

filler

.

The

results

showed

that

the

modified

basalt

fiber

filler

contained

hy

­

drophilic

groups

and

exhibited

rough

surface

；

the

modified

basalt

fiber

filler

had

the

relatively

high

water

content

and

moisture

re

­

gain

of

64. 8%

and

11.32% ,

the

drying

rate

lower

than

that

of

elastic

filler

and

combined

filler

；

the

modified

basalt

fiber

filler

had

the

oxygen

mass

transfer

coefficient

of

0. 383 7

min

_1

at

20

°C

,

higher

than

the

value

of

combined

filler

, 0. 357 2

min

_1

and

lower

than

the

value

of

elastic

filler

，0. 421 4

min

_1 ；

and

the

modified

basalt

fiber

filler

showed

the

water

contact

angle

of

modified

basalt

fiber

water

trea

60. 52°

,lower

than

those

fo

the

two

other

fillers

，

and

exhibited

the

highest

surface

free

energy

.

Key

words

：

basalt

fiber

；

modification

；

water

treatment

；

combined

filler

；

elastic

filler

；

structure

；

properties