Исследование методов получения и свойств модифицированного поливинилового спирта.

В области экологической инженерии очистка сточных вод с высокой концентрацией аммиачного азота остается серьезной проблемой. Традиционные биологические методы очистки часто оказываются неэффективными при работе со сложными и разнообразными по качеству водными ресурсами. В связи с этим технология иммобилизованных микроорганизмов получила широкое распространение благодаря своей способности увеличивать относительную концентрацию микроорганизмов и повышать эффективность биологической очистки.

В качестве наиболее часто используемого агента для встраивания в эту технологию, Поливиниловый спирт (ПВА) ПВА выделяется своей низкой стоимостью, высокой механической прочностью и устойчивостью к микробному разложению. Однако в практическом применении природный ПВА имеет ряд «проблемных моментов», таких как биологическая токсичность для микроорганизмов, низкая степень извлечения и высокая водорастворимость (набухание). Для решения этих проблем исследователи изучают модификацию поверхности путем сшивания, чтобы всесторонне оптимизировать характеристики ПВА.

1. Зачем модифицировать ПВА?

Хотя исходный поливинилацетат (ПВА) обладает хорошими пленкообразующими и волокнообразующими свойствами, его стабильность в воде относительно низка, что часто приводит к набуханию, способному разрушить целостность иммобилизованной мембраны. Введение сшивающего агента запускает реакцию между агентом и многочисленными гидроксильными группами в молекулах ПВА, создавая стабильную сетчатую структуру.

Поливинилацетат (ПВА) содержит широкий спектр сшивающих агентов, таких как малеиновая кислота. формальдегиди глутаральдегид (ГА). Среди них ГА стал основным выбором, поскольку он работает в мягких условиях и не требует термической обработки для протекания реакции. Кроме того, введение оксида графена (ГО) — гениальное решение. ГО обладает огромной удельной поверхностью и богатым количеством кислородсодержащих функциональных групп, что значительно улучшает механические свойства и химическую стабильность композитного материала.

2. Экспериментальный анализ: от оксида графена до магнитных гелевых шариков.

В данном исследовании использовался строгий процесс для создания высокопрочного, легко поддающегося переработке материала:

• Поливиниловый спирт 1788 (ПВА 1788) Выбор: В исследовании в качестве базового полимера использовался ПВА 1788 (степень полимеризации: 1788; молекулярная масса: 84 000–89 000 г/моль; минимальный алкоголиз: 87,4%).
• Получение оксида графена (ГО): Используя усовершенствованный метод Хаммерса, природный графит окисляли в три этапа (при низкой, средней и высокой температуре) с помощью концентрированной серной кислоты и перманганата калия. Это приводит к расширению графитовых слоев и созданию функционализированного ГО.
• Модификация глутаральдегидом (ГА): Для уменьшения набухания 5%-ный раствор поливинилового спирта (ПВС) реагировал с ГА, что инициировало реакцию ацетализации.
• Намагничивание (MGO-PVA): Для решения проблем с извлечением, магнитные наночастицы Fe3O4 были внедрены в матрицу GO методом соосаждения. Это позволяет легко извлекать материал с помощью внешнего магнитного поля.
• Приготовление гелевых шариков: Модифицированный раствор ПВА-ГА смешивали с 1% альгинатом натрия и специфическими штаммами микроорганизмов (например, аммонийокисляющими бактериями), затем сшивали в насыщенном растворе борной кислоты и хлорида кальция.

3. Результаты и анализ данных

С помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и различных физических испытаний в ходе исследования были сделаны следующие основные выводы:

Оптимизация отека: критическая точка в 3%

В ходе эксперимента было установлено, что при массовой доле ГА в 3% содержание воды в модифицированном ПВА достигло своего минимума (8,524%), а степень набухания значительно снизилась. Это свидетельствует об успешной реакции ГА с ПВА, что привело к уменьшению количества гидрофильных гидроксильных радикалов и повышению стабильности материала в воде.

Структурная верификация: успешная намагниченность

Рентгенодифракционный анализ показал резкий дифракционный пик FexO при приблизительно 2θ = 32,61°, подтверждающий высокую кристалличность синтезированного магнетита. По мере увеличения содержания GO типичный пик GO при 2θ = 10,09° ослабевал, что доказывает равномерное распределение GO и его успешное интегрирование с ПВА.

Механическая прочность и упругие характеристики

В ходе высокоскоростных испытаний на колебание при 200 об/мин наилучшие результаты показали гелевые шарики с добавлением 0,3 мас.% оксида графена:

• Степень фрагментации составила 0%.
• Средний диапазон отскока составил 18–23 см.

Это говорит о том, что соотношение 0,3 мас.% позволяет гелевым шарикам компенсировать гидравлические силы сдвига и сжатия за счет собственной эластичности, сохраняя при этом достаточную твердость для сопротивления.

4. Эффективность массопереноса: обеспечение микробного дыхания

Для иммобилизованных микроорганизмов эффективность массопереноса определяет, смогут ли питательные вещества беспрепятственно проникать внутрь гранул. Тесты показали, что гранулы с содержанием оксида графена 0,1 мас.% и 0,3 мас.% достигли самой высокой скорости смачивания (100%). Это указывает на то, что низкие концентрации оксида графена способствуют образованию развитых пор, обеспечивая тем самым высокую эффективность массопереноса.

Данное исследование не только открывает новый путь для Модифицированный поливиниловый спирт (модифицированный ПВА) но также напрямую удовлетворяет важнейшую экологическую потребность в очистке сточных вод с высокой концентрацией аммиачного азота.

Веб-сайт: www.elephchem.com

WhatsApp: (+)86 13851435272

Электронная почта: admin@elephchem.com