[发明专利]人工水草

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化吸附、光催化氧化和微生物降解性能的人工水草，属于水体生态环境保护与生态修复技术领域。

背景技术

在自然水体中，水生植物通过竞争营养物质抑制浮游植物的生长，同时水生植物也影响水体中溶解氧和二氧化碳浓度以及碱度和pH值，因此水生植物在水体净化中起着至关重要的作用。随着经济发展和人口的增加，我国的城市河流湖泊正在遭受着日益严重的污染和破坏。水体污染导致藻类大量繁殖，消耗了水中的溶解氧，破坏了水生植物的生存环境，使得水生植物难于生长，河流的自净能力降低，水体富营养化程度日趋严重。

对于水生植物难于生长的水体，要提高水体的自净能力，目前采用最多的方法有生态浮床和人工水草两种。对于人工水草，其作用是为耐污染的藻类提供载体，提高水体的透明度，逐步重建水生植物和水体自然生态。人工水草使用方法主要有两类：一是用绳子拉着无纺布条悬挂在水里；二是把微生物填料扣在槽底上，连槽底一起投放在水里。这两种方法都有其优点和不足。对于第一类人工水草，其人工水草大多由草体纤维、主绳、浮子和底部的固件构成，这种结构的水草因其截面积相对较小，对悬浮颗粒物的吸附作用不是很好，同时如果人工水草分布较密的话，水草之间容易缠绕在一起；对于第二类的人工水草，其人工水草一般由网箱和本体组成，但大多数第二类的人工水草并没有很好地利用网箱结构，没有将整个人工水草结构达到利用的最大化。上述两种人工水草的发明和设计都较好的从仿生学的角度模仿了自然水草，但对人工水草吸附和降解性能强化的研究相对较少。

发明内容

目的：针对现有人工水草存在的弊端，本发明提供一种强化吸附、光催化氧化和微生物降解性能的人工水草，采用了第二种人工水草的方式，最大程度地利用了人工水草的结构，增大了其对水体的净化和生态修复能力。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种人工水草，其特征在于：包括水草载体、浮子、草体纤维、固定水草载体的基底；

水草载体两面四角处均匀分布多个浮子，草体纤维均匀布置在水草载体的表面；

所述草体纤维由分层多孔PAN类活性碳纤维和附载氮掺杂TiO₂催化材料的分层多孔PAN类活性碳纤维组合制成；所述基底内填充羧甲基纤维素聚合物；所述基底上表面设有多个勾环固定部，所述水草载体的下端设置有相配合的勾环，水草载体的下端通过勾环与基底相连。

所述的人工水草，其特征在于：每簇草体纤维共设有60根活性碳纤维，其中分层多孔PAN类活性碳纤维和附载氮掺杂TiO₂催化材料的分层多孔PAN类活性碳纤维的数量比为5:1。一方面分层多孔PAN类活性碳纤维具有很大的表面积，能吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，同时活性碳纤维又具有高度的生物亲和性，易于微生物附着、挂膜，为各类微生物、藻类和动物的生长、繁殖提供良好的着生、附着和穴居条件，通过借助微生物的生长繁殖把水体中的污染物质吸收、降解；另一方面附载的氮掺杂TiO₂催化材料，具有良好的可见光活性，能在可见光的作用下将水体中的大分子有机污染物氧化成小分子的有机污染物，使其更容易被附着在草体表面的微生物降解，从而提高对污染物的去除效果。

所述分层多孔PAN类活性碳纤维的制备方法如下：

步骤(1)将N,N-二甲基甲酰胺和二氧化硅/N,N-二甲基甲酰胺聚合物溶解于聚丙烯腈中，加入二氧化硅进行搅拌，加热至50℃，制得聚合物溶液；聚合物溶液中二氧化硅和N,N-二甲基甲酰胺的质量分数比为2：5；

步骤(2)用内径为1.27mm的针头把步骤(1)制得的聚合物溶液抽入到30cm³的注射器中，然后用静电纺丝装置纺丝，制得样品纤维；其中静电纺丝装置的供电电压为18kV，针尖到收集器的距离为10cm，注射泵的速度为0.3mL/h，收集器转速为500rpm；

步骤(3)将样品纤维在温度为260℃的氮气中放置4小时，然后将样品纤维在下列条件的氮气流中热处理碳化氧化制得碳化样品纤维：升温速度为5℃/min，升温至1050℃后处理1小时，氮气的进料速率为100cm³/h；