CN110734128A

CN110734128A - 一种基于陨石制备的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN110734128A
Application number: CN201911075969.4A
Authority: CN
Inventors: 鲍腾; 金杰; 吴克; 王晓飞; 卫新来; 张勇
Original assignee: Hefei College
Current assignee: Hefei Jinglong Environmental Protection Technology Co ltd; Hefei University
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: CN110734128B

Abstract

本发明提供了一种基于陨石制备的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料、其制备方法及应用。所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的制备方法包括：步骤S1，以陨石粉体为原料经还原煅烧制得纳米零价金属复合材料；步骤S2，将沸石、水泥、生石灰、铝粉、石膏及表面活性剂混合，得到混合料；步骤S3，以聚乙烯多孔球形塑料颗粒为骨架，将所述混合料均匀粘附在所述骨架上，制得沸石基轻质多孔球形功能材料。步骤S4，将纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上面，获得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。本发明具有多级别孔、较高孔隙率及较大比表面积，形状规则、质轻。

Description

一种基于陨石制备的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种基于陨石制备的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料、其制备方法及应用。

背景技术

磷是人类赖以生存不可或缺的营养物之一，主要贮存在地壳之中，以磷矿的形式存在，是一种难以再生的非金属矿产资源。磷在地球上以“陆地→海洋”直线形式流动。从磷矿开采的磷超过80％以上用于磷肥生产，磷肥中有超过50％以上的未被作物吸收的磷因雨水冲刷会形成地表径流，食物中未被人和动物吸收的磷在无污水处理情况下随排泄物进入地表水体中；最后磷随“条条江河通大海”的自然规律进入海洋。除海鸟在陆地排泄粪便以及人类海洋捕捞海产品外，流入海洋中的磷在人类可目击到的地质演变期内很难再回归到陆地。因此，磷和煤、石油等一样都属于不可再生的宝贵自然资源。

磷矿藏在地球上分布极不均匀、储量十分有限。虽然地球磷矿基础储量为680×10⁸t(以P₂O₅计)，但经济储量仅有1/3,约220×10⁸t。随着人口增长以及人类生活水平不断提高，社会对磷的需求越来越高。国家统计局数据显示，2015年我国磷肥产量已达970×10⁴t·a^-1(P₂O₅)，且每年增加量为50×10⁴t·a^-1。以此增长速度，我国到2030年时对磷肥使用量将会超过2000×10⁴t·a^-1.再加上磷矿石无限制的出口，我国未来磷资源消耗量十分惊人。2015年统计数字表明,我国磷矿基础储量为31×10⁸t(P₂O₅)a。尽管2017年7月在贵州开阳发现了超大优质(唯一不经选矿即可直接用于生产高浓度磷复合肥)磷矿2.7×10⁸t(P₂O₅)a,但我国高品位磷矿储量总体上很低,P₂O₅含量超过30％的富磷矿资源储量只有16.6×10⁸t(P₂O₅),仅为基础储量的一半。若按照目前“采富弃贫”的开采模式进行开采磷矿,我国磷矿石储量将开采殆尽a,“磷危机”现象随之而来。

因此,我国急需考虑并实施磷回收战略。纵观磷流失、排放的整个路径,对磷进行有效截流/回收的最佳节点主要集中在磷排放的源头和末端.源头磷回收包括粪尿返田及源分离技术；末端磷回收指的是从污水处理过程中回收磷，据统计全球每年约有1.3Mt·a^-1(以P计)经污水处理厂处理,以集中式为主流的现代污水处理技术可以实现在污水处理的同时对磷的截留、分离与回收。

曝气生物滤池充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体。其工艺原理是在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，因污水流经时，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水带出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，其孔隙率、生物负载能力等特性影响着曝气生物滤池的性能，填料的研究和开发在曝气生物滤池工艺中受到广泛关注。

目前关于曝气生物滤池填料的应用研究中，大部分只关注于磷的去除，而未涉及磷的回收，因此亟需一种填料能够在曝气生物滤池反应中同时实现氮的去除和磷的回收。

发明内容

本发明解决的问题是现有曝气生物滤池填料存在孔隙率低、生物负载量低、无法实现同步脱氮及回收磷。

为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，包括如下步骤：

步骤S1，以陨石粉体为原料经还原煅烧制得纳米零价金属复合材料；

步骤S2，将所述沸石、水泥、生石灰、铝粉、石膏及表面活性剂混合，得到混合料；

步骤S3，以聚乙烯多孔球形塑料颗粒为骨架，将所述混合料均匀粘附在所述骨架上，制得沸石轻质多孔球形功能材料。

步骤S4，将所述纳米零价金属复合材料，均匀的喷洒在所述沸石基轻质多孔球形功能材料上，获得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

可选地，步骤S1中所述纳米零价金属复合材料是由所述陨石粉体在氢气或一氧化碳气氛下煅烧得到。

可选地，步骤S1中所述在氢气或一氧化碳气氛下煅烧的煅烧温度为400℃～900℃，煅烧时间为2h～5h。

可选地，步骤S1中所述陨石粉体的粒径为小于0.0374mm。

可选地，步骤S3中所述混合料是在机械滚筒的机械作用下粘附在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒的孔隙结构中。

可选地，步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31，将所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料；

步骤S32，向所述多孔功能材料中均匀的喷洒水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形颗粒材料；

步骤S33，将所述颗粒材料进行自然养护，制得所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

可选地，步骤S2中所述沸石、所述水泥、所述生石灰、所述铝粉、所述石膏的质量比为50％-60％：10％-30％：1％-15％：0.1％-2％：1％-13％。

本发明还提供一种如上任一项所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

可选地，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有多级别孔，包括1nm-5nm的微孔、10nm～50nm的介孔和50nm-100nm的大孔。

可选地，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的孔隙率为90～99％。

可选地，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的比表面积为110～250m²/g。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

(1)本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，具有多级别孔、较高的孔隙率及较大的比表面积，有利于离子交换吸附，为微生物进入纳米零价金属复合多孔功能材料的内部附着生长提供空间。

(2)本发明制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，通过加入纳米零价金属复合材料，能够加速生物滤池内硝化细菌和反硝化细菌的生长速率，提高曝气生物滤池的脱氮效率。

(3)本发明所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有规则形状，整体呈球形，作为曝气生物滤池滤料时，具有水流阻力小、不易堵塞以及布气布水均匀的优点。

(4)本发明所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料质轻、密度低，有利于曝气生物滤池的反冲洗，降低反冲洗能耗。

(5)本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料含有纳米零价金属复合材料，而纳米零价金属轻质多孔球形功能材料能够形成多金属系统，在生物酶的催化反应中，各金属之间能够起到协同作用，提高生物酶的催化降解效率；因此本发明所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，既具有吸附水中氨氮的功能，又是高效的微生物载体材料，高效去除废水中的氮，还具有吸附水中各类有机污染物的作用。

(6)本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，含有氧化钙，能够固定水中的磷酸盐，在纳米零价金属轻质多孔球形功能材料表面形成羟基磷灰石沉淀，能够固定和回收水中磷酸盐。当吸附饱和后纳米零价金属轻质多孔球形功能材料富含氮磷，可以作为蔬菜和水果无土栽培的肥料，从而替代传统的肥料，实现废弃物的再利用，为曝气生物滤池解决深度处理废水提供新的解决方案。

(7)本发明所用原料资源丰富、价格低廉，实现了废物循环利用，制备工艺简单，生产成本低。

本发明还提供一种如上所述的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料在曝气生物滤池中的应用。

利用本发明制备的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料作为曝气生物滤池的填料处理废水，不易堵塞、污染物去除效率高，且处理过程简单、能耗低。

附图说明

图1是本发明实施例中纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的偏光显微镜照片；

图2是本发明实施例中纳米零价金属轻质多孔球形功能材料在曝气生物滤池使用前后的红外光谱图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明提供一种基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，包括如下步骤：

步骤S2，将沸石、水泥、生石灰、铝粉、石膏及表面活性剂混合，得到混合料；

步骤S3，以聚乙烯多孔球形塑料颗粒为骨架，将所述混合料均匀粘附在所述骨架上，制得沸石基轻质多孔球形功能材料；

步骤S4，将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在所述沸石基轻质多孔球形功能材料上，获得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

本发明通过对陨石进行预处理得到所述陨石粉体，并以陨石粉体为原料，通入还原性气氛下煅烧，获得活性较高的纳米零价金属复合材料。其中还原性气氛为氢气或一氧化碳；还原煅烧的煅烧温度为400℃～900℃，煅烧时间为2h～5h。

进一步地，陨石预处理过程具体如下：常温下将陨石破碎至粒径小于0.0374mm，然后将粒径小于0.0374mm的陨石与酒精充分混合分散后烘干，得到陨石粉体。对陨石进行上述预处理能够提高陨石各活性组分的分散性能，提高催化活性。

陨石是小块的固体碎片，它来源于小行星或彗星，起源于外太空，对地球的表面及生物均有影响。在陨石撞击到地表之前称为流星，陨石的大小范围从小型到极大不等。当流星体进入地球大气层，由于摩擦、压力以及大气中气体的化学作用，导致其温度升高并发光，因此形成了流星，包括火球，也称为射星。火流星既是与地球碰撞的外星天体，也是异常明亮的流星，而像火球这样的流星无论如何最终都会影响地球的表面。更通俗的说法，在地球表面的任何一颗陨石都是来自外太空的一个天然物体。月球和火星上也有发现陨石。被观察到穿越大气层或撞击地球陨石称为墬落陨石，其它的陨石都称为发现陨石。截至2010年2月，只有大约1086颗的墬落陨石的标本被收藏，但却有38660颗被确认的发现陨石。陨石通常分为三大类：石陨石主要是岩石，其组成大多是硅酸盐矿物；铁陨石，很大部分的成分是铁与镍；石铁陨石的成分既有大量的岩石也有金属。现代的陨石分类是根据其结构、化学同位素和矿物学来分类，小于2毫米的陨石被分类为微陨石。本发明中陨石主要包括铁纹石、锥纹石、石铁陨石或镍铁陨石。

陨石主要成份为铁、镍、锰、砷、钼、锆、铌、钌、铑、银、镉、铟、钴、钯、锡、锑等过渡金属。由于陨石中含有大量过渡金属，而过渡金属氧化物具有如下性质：过渡金属氧化物中的金属阳离子的d电子层易失去电子或夺取电子，具有较强的氧化还原性能；过渡金属氧化物具有半导体性质；过渡金属氧化物中金属离子的内层价轨道与外来轨道可以发生劈裂；过渡金属氧化物与过渡金属都可作为氧化还原反应催化剂，而前者由于其耐热性、抗毒性强，且具有光敏、热敏、杂质敏感性，更有利于催化剂性能调变,因此应用更加广泛；过渡金属Fe、Co等可与Ni金属形成较强协同作用，也能显著提高Ni基催化剂的催化活性。

本发明以陨石为原料制得的纳米零价金属复合材料，其主要物相包括纳米零价铁、纳米零价镍、纳米零价铜以及纳米稀有金属。现有技术中，在催化反应中零价铁颗粒的表面会形成钝化层，如铁的氢氧化物沉淀等，从而降低了纳米铁的活性。而本发明制备的纳米零价金属复合材料中，含有还原电位高的金属(如钯，铜和镍)，是一种多组分复合材料，在催化反应中，纳米零价金属复合材料多金属颗粒表面由于多种金属的电位差不同，从而在多种金属之间形成了原电池，使得纳米零价金属复合材料中金属铁的活性增大，从而提供更多的电子参加到催化反应中来，提高催化降解效率。

因此，一方面多组分复合材料可增强纳米零价金属复合材料金属的活性，另一方面纳米零价金属复合材料组成中的各金属之间能够起到协同作用，提高纳米零价金属复合材料金属参加还原反应的速度和选择性。因此，本发明步骤S1中制得的纳米零价金属复合材料能够形成多金属系统，提高催化反应的速率。

进一步地，本发明将沸石、水泥、铝粉、生石灰、石膏按照一定质量百分比进行混合，制得混合料，其中普通硅酸盐水泥：10-30％，沸石:50-60％，生石灰：1-15％，石膏：1-13％，铝粉：0.1-2％。

所述沸石采用天然沸石粉，所述水泥优选硅酸盐水泥，所述铝粉纯度为99％-100％，所述生石灰的粒径<0.0037mm，且所述生石灰含量为90％-100％，所述石膏含量为90％-100％，所述表面活性剂包括洗衣粉或皂角粉。如此，经过上述操作，各组分均匀混合，利于将纳米零价金属复合材料负载至多孔结构上。

进一步地，本发明以聚乙烯多孔球形塑料颗粒为骨架，将所述混合料均匀粘附在所述骨架上，制得沸石基轻质多孔球形功能材料。具体步骤包括：

步骤S31，将所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料；其中，由于所述聚乙烯多孔球形颗粒具有丰富的开放性孔隙结构，所述混合料会跌落在所述聚乙烯多孔球形颗粒的开放性孔隙内部和外部孔隙结构中，在机械滚筒的作用下，所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒相互摩擦，使得所述混合料粘附在所述聚乙烯多孔球形颗粒的表面和内部孔隙中。

步骤S32，然后向所述多孔功能材料中均匀的喷洒水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形，得到球形颗粒材料，并将所述球形颗粒材料进行自然养护，制得所述沸石基轻质多孔球形功能材料，其中自然养护时间为5天-30天。

进一步地，本发明将纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，获得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

本发明以陨石为原料，通过还原煅烧陨石粉体，获得具有多金属系统的纳米零价金属复合材料，在天然矿物粉体沸石中添加水泥为粘结剂、铝粉为发泡剂、生石灰提供碱度、石膏为凝固剂、洗衣粉或皂角粉为表面活性剂，经混合配料制得所述混合料后，以所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒为骨架，将所述混合料粘附于所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒中，制得所述沸石基轻质多孔球形功能材料。再将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，获得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

本发明所用原料资源丰富、价格低廉，实现了废物循环利用，制备工艺简单，生产成本低。

本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，具有多级别孔，包括1nm～5nm的微孔、10nm～50nm的介孔和50nm～100nm的大孔；同时还具有较高的孔隙率，为微生物进入纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的内部附着生长提供空间，其中孔隙率为90-99％，有利于离子交换吸附，其中比表面积为110-250m²/g。

另外所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，还具有规则形状，整体呈球形，作为曝气生物滤池滤料时，具有水流阻力小、不易堵塞以及布气布水均匀的优点；且所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料质轻的特点，使得曝气生物滤池系统在进行反冲洗时滤料易悬浮，降低反冲洗能耗。

本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，不仅具有纳米零价金属复合材料的性质作用，同时其还包括沸石组分，沸石具有去除氮的作用以及离子交换和吸附作用，还包括氢氧化钙，其能够固定废水中的磷酸盐，在纳米零价金属轻质多孔球形功能材料表面生成羟基磷灰石，达到同步回收磷和去除氮的目的。

本发明中所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，既具有吸附水中氨氮的功能，又是高效的微生物载体材料，高效同步回收磷和去除氮，还具有吸附水中各类有机污染物的作用。其中纳米零价金属轻质多孔球形功能材料中的纳米铁，能够耦合厌氧细菌(比如氨氧化细菌)，该组分首先被还原成亚硝酸盐，然后进一步被还原成氨氮，厌氧氨氧化菌可以利用体系先后生成的两种物质进行生物转换，实现生物脱氮。另外，该组分能够耦合反硝化菌体系，减少反应时间，加快脱氮反应速率。且纳米零价金属轻质多孔球形功能材料包括多孔结构的复合多孔材料以及活性高的纳米零价金属复合材料，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料能够形成多金属系统，在催化反应中，各金属之间能够起到协同作用，提高催化降解效率；另外，纳米零价Ni被氧化为Ni²⁺既能加快纳米铁的电子传递速率，提高化学反应速率，而且Ni²⁺还能够促进厌氧微生物的生长。

本发明制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，通过加入纳米零价金属复合材料，能够加速生物滤池内硝化细菌和反硝化细菌的生长速率，提高曝气生物滤池的脱氮效率。

本发明制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，在水中能够形成水化硅酸盐，能够固定水中的磷酸盐，在纳米零价金属轻质多孔球形功能材料表面形成羟基磷灰石沉淀，回收水中磷酸盐。当吸附饱和后纳米零价金属轻质多孔球形功能材料富含氮磷，可以作为蔬菜和水果无土栽培的肥料，从而替代传统的肥料，实现废弃物的再利用，为曝气生物滤池解决深度处理废水提供新的解决方案。

本发明与传统的曝气生物滤池填料比较，具有较高的生物活性、吸附性能及离子交换性能，同时所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料由于具有较高的孔隙率，为微生物高负载提供结构基础，为微生物的生长，提供良好的环境，微生物负载量高，利于微生物对污染物的降解，由于该材料本身结构所形成的厌氧条件，使得反硝化反应进行彻底，进一步提高了硝酸盐氮的去除效果。

在其中一些实施例中，本发明将制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料用于曝气生物滤池中。由于所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有高开放孔隙率，可以使各类微生物在所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的外表面和内部附着，微生物在所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料外表面和内部形成氧化还原分带，同时具有氧化氨氮和反硝化脱氮的作用。本发明制备的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料可以作为一种具有生物活性的优良的微生物载体材料，为微生物繁殖生长提供场所。

实施例一

本实施例中纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的制备方法包括如下步骤：

1.1将陨石破碎至0.0374mm以下，与酒精混合分散后烘干，将烘干的陨石粉体在氢气气氛下还原煅烧，煅烧温度为600℃，时间为3h，制得纳米零价金属复合材料；

1.2将普通硅酸盐水泥、天然沸石粉体、生石灰、石膏、铝粉按照质量比为：普通硅酸盐水泥10-30％，沸石50-60％，生石灰1-15％，石膏1-13％，铝粉0.1-2％混合，制得混合物；

1.3将聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料；其中，聚乙烯多孔球形塑料颗粒生物孔隙率为80-90％，球体粒径为1-3mm，购买自山东省临沂兰陵县鸿翔塑业有限公司。

向所述多孔功能材料中均匀的喷洒一些水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形，并将该球形多孔功能材料进行自然养护20天，制得沸石基轻质多孔球形功能材料

1.4将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

对本实施例制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料进行性能测试，结果如表1所示，由表1可以看出，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有较高的孔隙率和较大的比表面积，其中，孔隙率为93％-94％，比表面积为130-180m²/g。

表1：

实施例二

2.1将陨石破碎至0.0374mm以下，与酒精混合分散后烘干，将烘干的陨石粉体在氢气气氛下煅烧，煅烧温度为900℃，时间为2h，制得纳米零价金属复合材料；

2.2将普通硅酸盐水泥、天然沸石粉体、生石灰、石膏、铝粉按照质量比为：普通硅酸盐水泥10-30％，沸石50-60％，生石灰1-15％，石膏1-13％，铝粉0.1-2％混合，制得混合物；

2.3将聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料，并向所述多孔功能材料中均匀的喷洒一些水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形，并将该球形多孔功能材料进行自然养护30天，制得制得沸石基轻质多孔球形功能材料；

2.4将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

对本实施例制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料进行性能测试，结果如表2所示，由表2可以看出，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有较高的孔隙率和较大的比表面积，其中，孔隙率为95％-97％，比表面积为140-170m²/g。

表2：

实施例三

3.1将陨石破碎至0.0374mm以下，与酒精混合分散后烘干，将烘干的陨石粉体在氢气气氛下煅烧，煅烧温度为400℃，时间为5h，制得纳米零价金属复合材料；

3.2将普通硅酸盐水泥、天然沸石粉体、生石灰、石膏、铝粉按照质量比为：普通硅酸盐水泥10-30％，沸石50-60％，生石灰1-15％，石膏1-13％，铝粉0.1-2％混合，制得混合物；

3.3将聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料，并向所述多孔功能材料中均匀的喷洒一些水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形，并将该球形多孔功能材料进行自然养护5天，制得制得沸石基轻质多孔球形功能材料；

3.4将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

对本实施例制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料进行性能测试，结果如表3所示，由表3可以看出，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有较高的孔隙率和较大的比表面积，其中，孔隙率为96％-98％，比表面积为155-220m²/g。

表3：

实施例四

4.1将陨石破碎至0.0374mm以下，与酒精混合分散后烘干，将烘干的陨石粉体在氢气气氛下煅烧，煅烧温度为400℃，时间为5h，制得纳米零价金属复合材料；

4.2将普通硅酸盐水泥、天然沸石粉体、生石灰、石膏、铝粉按照质量比为：普通硅酸盐水泥10-30％，沸石50-60％，生石灰1-15％，石膏1-13％，铝粉0.1-2％混合，制得混合物；

4.3将聚乙烯多孔球形塑料颗粒放入机械滚筒中，并将所述混合料均匀撒在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒上，得到多孔功能材料，并向所述多孔功能材料中均匀的喷洒一些水，使得所述多孔功能材料在滚筒的作用下成为球形，并将该球形多孔功能材料进行自然养护10天，制得制得沸石基轻质多孔球形功能材料；

4.4将所述纳米零价金属复合材料均匀的喷洒在沸石基轻质多孔球形功能材料上，制得纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

对本实施例制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料进行性能测试，结果如表:4所示，由表4可以看出，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有较高的孔隙率和较大的比表面积，其中，孔隙率为93％-99％，比表面积为177-250m²/g。

表4：

实施例五

本实施例对实施例四所制备的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料进行测试。

对所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的孔结构进行分析，对样品分别进行偏光显微镜观察，结果如图1所示。其中，图1为样品的单偏光下照片，可以看出，其中黑色部分为纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的骨架结构，主要包括天然矿物、纳米零价铁镍和水泥水化产物，灰色部分为纳米零价金属轻质多孔球形功能材料中的孔隙。通过偏光显微镜观察到本发明制备的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料中开放性孔隙的平均孔径为10μm-100μm左右，而微生物个体大小在0.1而微生物个体大小，意味着微生物可以在开放性气孔中繁殖生长，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的孔结构为微生物高负载量提供了结构基础。

通过氮气吸脱附曲线测得,所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的比表面积110-250m²/g，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的比表面积较大,有利于离子交换吸附，使得微生物的负载量较高，进而提高污染物去除效果。

纳米零价金属轻质多孔球形功能材料在曝气生物滤池使用前后的红外光谱图如图2所示，其中图2中曲线A表示使用前的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的红外光谱图，曲线B表示在曝气生物滤池中使用后的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的红外光谱图，图2中纵坐标Transmittance表示透过率，横坐标Wave表示波长。红外光谱的波长检测范围为400cm^-1-4000cm^-1,其中414cm^-1和883cm^-1处的振动峰，分别为SiO₄和AlO₄，以及Al-O和Si-O弯曲振动。在549cm^-1处为氧化铁的Fe-O-Fe键。在594cm^-1处观察到Si-O-Ca键。在1442cm^-1处为CO₃ ^-，1641cm^-1处的吸附带与间隙结合水。在曝气生物滤池使用后，纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的红外光谱在1019cm^-1处出现新的峰，这对应于OH^-伸缩振动，并被认为是羟基磷灰石的的特征谱带。说明纳米零价金属轻质多孔球形功能材料在使用后羟基磷灰石在其表面生成，从而实现了在曝气生物滤池中磷的回收和氮的去除。

实施例六

本实施例还将实施例四制得的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料作为填料应用于曝气生物滤池中进行污水处理，同时以市售填料作对比。

试验中所用接种污泥取自城市污水处理厂氧化沟中的活性污泥，首先将所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料和市售填料，分别放入装有所述活性污泥的桶内浸泡3天，期间每日按质量比C：N：P＝100：5：1投加营养物质。

然后将浸泡后的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料和浸泡后的市售填料分别加入到反应器内构成所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统和市售填料-曝气生物滤池系统，进行闷曝接种微生物，用流量计控制曝气量2L/h-5L/h，2天后改为小流量进水，保持气水比在1～10:l之间，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统连续运行7天左右发现反应器底部出现黄色或黄褐色的生物膜，由显微镜观察发现蓝藻、草履虫、钟虫和大量的丝状菌等微生物。

试验中发现所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统前2天的出水中化学需氧量(COD)去除率较高，分析认为出水COD降低的主要原因是所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的物理吸附作用。由于所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料表面粗糙、比表面积大、孔隙率高，具有很多肉眼可见的小孔，为内部的贯通气孔提供了通道，因此吸附能力较强。第3天出水COD去除率迅速降低，然后又呈升高的趋势变化，说明生物膜己经开始生长，发生了生物降解作用。经过10天左右的时间，出水COD已比较稳定，去除率达到85％以上，说明异养微生物的生长繁殖速度较快。

所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统经过约10天时间启动挂膜后进入正常运行阶段，连续运行7个月左右，对主要污染物COD、水中氨氮含量指标(NH₃-N)、总磷量(TP)、悬浮物(SS)进行连续监测。在气水比为1-10：l、水力负荷为0.3m³/(m².h)～0.8m³/(m².h)的条件下，进水COD、NH₃-N、TN、TP、SS的浓度分别为：10mg/L-200mg/L、5mg/L-50mg/L、4mg/L-50mg/L、0.5mg/L-2mg/L、5mg/L-60mg/L。所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统对COD、NH₃-N、TN、TP、SS的去除率分别为:95％-99％、92％-99％、93％-99％、94％-99％、92％-99％。纳米零价金属轻质多孔球形功能材料-曝气生物滤池系统中COD、NH3-N、TN、TP、SS的出水浓度分别为：1mg/L-5mg/L、0.01mg/L-1mg/L、1mg/L-5mg/L、0.001mg/L-0.1mg/L、1mg/L-10mg/L。而市售填料-曝气生物滤池系统对COD、NH₃-N、TN、TP、SS的去除率分别为：40％-48％、30％-57％、20％-59％、20％-49％、30％-55％。市售填料-曝气生物滤池系统中COD、NH3-N、TN、TP、SS的出水浓度分别为：50mg/L-100mg/L、10mg/L-20mg/L、10mg/L-25mg/L、1mg/L-1.5mg/L、20mg/L-40mg/L。

由此可知，本发明将所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料用于曝气生物滤池中，对处理污水具有较好的效果。这主要由于本发明所制得的所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，具有较高的孔隙率以及较高的生物活性和吸附性能，应用于曝气生物滤池中不仅可以交换吸附去除废水中污染物离子，还可以作为微生物载体，供微生物繁殖生长，以实现废水净化效果，当纳米零价金属轻质多孔球形功能材料吸附饱和后,可以作为氮磷复合肥料,用于无土栽培蔬菜和水果。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述纳米零价金属复合材料是由所述陨石粉体在氢气或一氧化碳气氛下还原煅烧得到。

3.如权利要求2所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述在氢气或一氧化碳气氛下煅烧的煅烧温度为400℃～900℃，煅烧时间为2h～5h。

4.如权利要求1所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述陨石粉体的粒径为小于0.0374mm。

5.如权利要求1所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S3中所述混合料是在机械滚筒的机械作用下粘附在所述聚乙烯多孔球形塑料颗粒的孔隙结构中。

6.如权利要求5所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S33，将所述颗粒材料进行自然养护，制得所述沸石基轻质多孔球形功能材料。

7.如权利要求1所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法，其特征在于，步骤S2中所述沸石、所述水泥、所述生石灰、所述铝粉、所述石膏的质量比为50％-60％：10％-30％：1％-15％：0.1％-2％：1％-13％。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于陨石制备纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的方法制得的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料。

9.如权利要求8所述的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，其特征在于，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料具有多级别孔，包括1nm～5nm的微孔、10nm～50nm的介孔和50nm～100nm的大孔。

10.如权利要求8所述的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，其特征在于，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的孔隙率为90～99％。

11.如权利要求8所述的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料，其特征在于，所述纳米零价金属轻质多孔球形功能材料的比表面积为110～250m²/g。

12.一种如权利要求8所述的纳米零价金属轻质多孔球形功能材料在曝气生物滤池中的应用。