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城市雨水净化蓄集材料的开发研究

作　者: 于慧波
导　师: 林国梁
学　校: 东北大学
专　业: 环境工程
关键词: 净化材料蓄集材料环境矿物材料酚醛泡沫雨水污染物植物栽培
分类号: TU991.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着经济发展,城市建设规模越来越大,对淡水需求不断增加。在此过程中,城市的工业化、现代化建设所带来的污染物对雨水、地下水等城市淡水资源造成了愈来愈大的负面影响。另外,城市到处都是硬化的路面,地表蒸腾作用十分显著。因此,开发具有净化能力并且可以含蓄淡水资源来保证绿化植物正常生长的材料是非常必要的。同时,部分雨水通过净化去除各种污染物质,达到了饮用水的标准,可以缓解淡水资源紧缺和城市发展之间的矛盾。论文以研究材料功能为目标,包括雨水收集材料、蓄集材料和净化材料。其中净化材料要求具有快速渗透能力还能同时实现对雨水的净化作用,包括对COD、BOD、SS、总磷、总氮和重金属等污染物的去除作用；蓄集材料要求具有很强的吸水保水能力,同时兼有净化作用。两种材料有可以通过骨架材料作为支撑整合为一体,制成可铺设的砖体或可移动的卷材。酚醛泡沫塑料由于良好的机械性能和高渗水性,对植物具有保鲜作用等优点非常适合作为净化材料之一,试验通过对发泡剂、稳定剂、润湿剂、催化剂、发泡温度等反应条件的选择与优化,提高酚醛泡沫的发泡性能与力学性能。并且通过预聚体的加入提高酚醛泡沫的韧性,使其达到了使用要求,通过表观密度测定和显微镜等检测手段对实验结果和材料的特征进行了表征。通过外加环境矿物材料的方法使得酚醛泡沫材料具有了对雨水的浊度、COD、BOD和氨氮等污染物的净化能力。同时对植物在酚醛泡沫表面的扎根能力进行实验。环境矿物材料对雨水的作用主要表现为：吸附作用、溶解与沉淀、表面氧化还原。吸水性聚合物作为生态型蓄集材料具有吸水、保水、促进植物生长、缓解城市热岛效应等功能。为了使蓄集材料同时兼有净化功能,将多种矿物材料添加到吸水性聚合物的反应体系中,并对其吸液倍率、吸液速率、保水能力、复吸能力等进行研究,优化了产品的配方及性能。蓄集材料合成：先用NaOH中和丙烯酸,再加入丙烯酰胺配制成水溶液,外加一定量的环境矿物材料,搅拌分散,加入引发剂过硫酸钾和交联剂亚甲基双丙烯酰胺,恒温(67 0C)搅拌,反应时间4h,待聚合反应交联结束,将聚合物切片制粒,70 0C恒温烘干得到固体颗粒产品。试验考查了不同种类、不同用量的环境矿物材料对蓄集材料应用性能的影响；合成的不同蓄集材料对植物生长情况的影响。并对所合成的蓄集材料进行性能测定和红外光谱表征。骨架材料是由可发泡性酚醛树脂在表面活性剂、发泡剂、固化剂等作用下,通过化学发泡或物理发泡得到的一种开孔型酚醛泡沫塑料,它具有快速渗透、环保无毒、价格低廉、合成工艺简单、有利于植物生长等特点。通过外加环境矿物材料,同样可以起到净化雨水的作用。以前生产的开孔型酚醛泡沫塑料大多数是以氟利昂作为发泡剂,由于氟利昂对人体和环境危害大,试验研究了用石油醚替代氟利昂,AES、吐温-80作表面活性剂合成吸水性酚醛泡沫塑料,同时为了增大净化材料的抗压强度和冲击强度等力学指标,试验对酚醛泡沫材料进行了增韧改性研究。研究结果表明：净化材料对浊度和BOD5净化效果可分别达到63%和80.5%,通过植物栽培实验,显示植物完全可以在净化材料表面扎根,并且生长情况良好；蓄集材料的性能与添加环境矿物材料的种类、用量有关,试验考查了电气石、硅藻土、膨润土、纳米粘土、泥炭等不同环境矿物材料,得到了添加比例为15%纳米粘土的蓄集材料具有最佳性能。添加泥炭和电气石的吸水性聚合物获得较好抗旱性,添加膨润土后的吸水性聚合物对植物生长具有最好影响。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章前言  12-40
  1.1 雨水利用的设想  13
  1.2 雨水利用技术概述  13-14
  1.3 雨水利用技术的研究现状及问题  14-16
  1.4 净化及蓄集原理  16-17
  1.5 材料的选择、合成及性能测试概述  17-19
    1.5.1 材料的选择  17-18
    1.5.2 目标材料的合成  18-19
    1.5.3 性能测试  19
  1.6 环境矿物材料简介  19-23
    1.6.1 矿物材料类  19-22
    1.6.2 岩石材料类  22-23
    1.6.3 环境矿物材料对雨水的作用  23
  1.7 雨水蓄集材料简介  23-30
    1.7.1 吸水性聚合物发展史  24
    1.7.2 吸水性聚合物的分类  24-26
    1.7.3 蓄集材料的性能  26-27
    1.7.4 蓄集材料的应用  27-28
    1.7.5 蓄集材料的技术进展  28-29
    1.7.6 蓄集材料合成机理  29-30
    1.7.7 影响蓄集材料性能的因素  30
  1.8 雨水净化材料简介  30-37
    1.8.1 雨水净化材料的历史及发展状况  30-35
    1.8.2 净化材料的分类与反应机理  35-36
    1.8.3 净化材料的性能  36-37
    1.8.4 净化材料的应用  37
  1.9 研究主要内容  37-38
    1.9.1 雨水蓄集材料的合成  37
    1.9.2 环境矿物材料对蓄集材料应用性能的影响  37-38
    1.9.3 蓄集材料对植物生长情况的影响  38
    1.9.4 骨架材料的合成  38
    1.9.5 雨水净化材料的制备  38
    1.9.6 雨水净化材料净化能力的研究  38
  1.10 研究的主要创新点  38-40
第二章雨水蓄集材料的合成  40-54
  2.1 实验原料与设备  40-42
    2.1.1 实验原料  40
    2.1.2 实验设备  40
    2.1.3 合成方法  40-41
    2.1.4 性能测定  41-42
  2.2 实验结果与讨论  42-54
    2.2.1 引发剂用量对聚合物黏度的影响  42-43
    2.2.2 交联剂用量对吸水倍率的影响  43-44
    2.2.3 pH值对聚合物表观黏度的影响  44-45
    2.2.4 聚合物对不同液体的吸收倍率比较  45
    2.2.5 吸水聚合物失效性的测定  45-46
    2.2.6 红外光谱表征  46-47
    2.2.7 环境矿物材料对聚合物吸水倍率的影响  47
    2.2.8 环境矿物材料对聚合物吸水速率的影响  47-49
    2.2.9 环境矿物材料对聚合物失水速率的影响  49-51
    2.2.10 矿物材料对含吸水聚合物土壤蒸腾作用的影响  51-54
第三章骨架材料的合成及性能表征  54-63
  3.1 概述  54
  3.2 骨架材料的合成  54-58
    3.2.1 主要原料  54
    3.2.2 实验设备  54-55
    3.2.3 实验方法  55
    3.2.4 性能检测  55
    3.2.5 结果与讨论  55-58
  3.3 骨架材料的改性研究  58-63
    3.3.1 主要原料  59
    3.3.2 主要设备  59
    3.3.3 实验过程  59
    3.3.4 性能的测定  59-60
    3.3.5 DSC测定  60
    3.3.6 实验结果与讨论  60-63
第四章雨水净化材料的合成与改性  63-70
  4.1 概述  63
  4.2 实验部分  63-64
    4.2.1 主要原料  63
    4.2.2 主要设备  63-64
    4.2.3 雨水净化材料的制备  64
    4.2.4 预聚体的合成  64
    4.2.5 各种性能测试及表征  64
  4.3 实验结果与讨论  64-70
    4.3.1 发泡剂对净化材料泡沫结构的影响  64-65
    4.3.2 湿润剂对净化材料表观密度的影响  65-66
    4.3.3 气泡稳定剂对净化材料表观密度的影响  66
    4.3.4 固化剂对净化材料性能的影响  66-67
    4.3.5 合成温度对净化材料性能的影响  67
    4.3.6 雨水净化材料的改性研究  67-70
第五章植物栽培实验  70-76
  5.1 概述  70-71
  5.2 实验部分  71-76
    5.2.1 主要原料  71
    5.2.2 实验方法  71
    5.2.3 性能测定  71-72
    5.2.4 结果与讨论  72-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 结论  76
  6.2 展望  76-78
    6.2.1 雨水利用技术的发展  76-77
    6.2.2 管理机构,法规和政策的配套  77-78
参考文献  78-84
致谢  84-85
攻读学位期间发表的学术论文情况  85

城市雨水净化蓄集材料的开发研究

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