本發(fā)明涉及污水資源化利用，具體涉及一種聚乙烯生物濾管及其在農(nóng)村污水資源化中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著村民生活水平不斷增加，村民對(duì)于用水的感官要求“色度、嗅度、透明度”要求較高，另外，在灰水的成分中，高分子有機(jī)物含量較高，植物的吸收利用率較低。目前主要利用盲溝或穿孔管進(jìn)行滲透布水。傳統(tǒng)盲溝材料在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多局限性。例如，傳統(tǒng)沙石盲溝成本相對(duì)較低，在一些簡(jiǎn)單的滲水場(chǎng)景中能夠發(fā)揮一定的作用，但傳統(tǒng)沙石盲溝在較高壓力下管材容易損壞，導(dǎo)致滲水失效。無沙砼管具有較好的穩(wěn)定性，能夠在一定程度上承受土壤的壓力，網(wǎng)狀樹脂管和有孔硬管在制作工藝上相對(duì)成熟，生產(chǎn)較為方便；但無沙砼管、網(wǎng)狀樹脂管、有孔硬管等表面開孔率低，一般開孔率遠(yuǎn)低于有孔管的5倍，集水能力有限。軟式透水管雖然有一定柔韌性，但耐久性差，施工也較為不便。這些問題使得傳統(tǒng)盲溝在滲水工程中的效果不盡人意。傳統(tǒng)的布水，塑料管道、網(wǎng)筒、級(jí)配砂石等，由于主要通過空隙率過水為主，污水容易在間隙中生長(zhǎng)厭氧膜，形成堵塞。

2、傳統(tǒng)的生物濾管主要成分為高分子聚合物，例如聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）、聚苯乙烯（ps）等。這些高分子聚合物存在如下缺點(diǎn)：（1）高分子聚合物的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，難以被微生物分解。微生物通常需要特定的酶來分解有機(jī)物質(zhì)，但它們?nèi)狈δ軌蚍纸馑芰细叻肿渔湹拿?。因此，塑料在自然環(huán)境中可以存在很長(zhǎng)時(shí)間而不被微生物降解。（2）高分子聚合物表面通常具有較低的表面能，這使得微生物難以附著在其表面上。微生物需要附著在固體表面上才能生長(zhǎng)和繁殖，但塑料的低表面能使得微生物難以牢固地附著。（3）高分子材料具有疏水性，即不與水相互溶解。這使得水分難以在塑料表面停留，而水分是微生物生長(zhǎng)所必需的。微生物需要在潮濕的環(huán)境中才能生長(zhǎng)和繁殖，因?yàn)樗挚梢蕴峁┤芙鉅I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、運(yùn)輸代謝產(chǎn)物以及維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的作用。塑料的疏水性限制了水分的存在，從而不利于微生物的生長(zhǎng)。

3、鑒于此，提出本技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種聚乙烯生物濾管及其在農(nóng)村污水資源化中的應(yīng)用，所述的聚乙烯生物濾管具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和滲水性能，其表面帶正電荷的特性使其能夠吸附微生物。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的第一方面提供了一種聚乙烯生物濾管，包括以下重量份的組分：75~92份聚乙烯樹脂、5~20份聚碳酸酯、6~12份針狀硅灰石粉、4~10份聚醚多元醇、2~8份相容劑、1~8份殼聚糖季銨鹽、0.5~3份異佛爾酮二異氰酸酯、1~5份活性炭；

3、所述相容劑為poe接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯。

4、本發(fā)明創(chuàng)造性的將上述各原料進(jìn)行組合，以聚乙烯樹脂為基體，在聚碳酸酯、針狀硅灰石粉、聚醚多元醇、相容劑、殼聚糖季銨鹽、異佛爾酮二異氰酸酯、活性炭的協(xié)效作用下，得到了具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和滲水性能的聚乙烯生物濾管（塑料盲管），所述的聚乙烯生物濾管克服了傳統(tǒng)盲溝盲管材料的缺點(diǎn)，其表面帶正電荷的特性使其能夠吸附微生物，有效提供微生物著床，對(duì)污水中微生物進(jìn)行分解，避免污染積累堵塞，同時(shí)其抗壓強(qiáng)度高，在淺埋覆土的資源化利用消納體中，解決了生物填料因擠壓堵塞失效的問題。

5、本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管在動(dòng)載壓力下，依然保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。一般情況下，在200kpa壓力下，其壓縮率低于15%，即使因超負(fù)荷被壓，由于其立體結(jié)構(gòu)，殘余空隙也達(dá)50%以上，不存在不通水的問題。這種特性確保了在各種復(fù)雜的工程環(huán)境下，如農(nóng)村地區(qū)地形復(fù)雜、土壤壓力不均的情況下，也能穩(wěn)定發(fā)揮排水作用，不會(huì)因土壓力而壓壞，同時(shí)所述的聚乙烯生物濾管的表面開孔率高，能快速有效地收集土壤中的滲水，并及時(shí)匯集排走。針對(duì)濾管外圍土壤過濾積存的污染物利用附著濾管表面的微生物菌群進(jìn)行分解，使水中污染物作為植物營(yíng)養(yǎng)更有效的吸收。

6、此外，本發(fā)明的聚乙烯生物濾管帶有正電荷，與帶負(fù)電的微生物之間會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力。這種吸引力就像磁鐵的正負(fù)兩極相互吸引一樣，使微生物能夠靠近并附著在生物填料的表面。正電荷的存在會(huì)改變生物填料表面的化學(xué)性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)，使其表面形成一些有利于微生物附著的位點(diǎn)。這些位點(diǎn)可以與微生物表面的相關(guān)基團(tuán)或結(jié)構(gòu)相互作用，增強(qiáng)微生物在填料表面的附著。正電荷會(huì)吸引帶負(fù)電的微生物，從而改變微生物在水體中的分布。這種作用可以增加微生物與填料接觸的機(jī)會(huì)，促進(jìn)微生物在填料上的吸附。促進(jìn)生物膜的形成：當(dāng)微生物被生物填料表面的正電荷吸附后，會(huì)在填料表面逐漸聚集并形成生物膜。生物膜是微生物群體相互作用、附著在載體表面形成的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。生物填料表面的正電荷不僅有利于微生物的初始附著，還能夠在生物膜的形成過程中起到穩(wěn)定和促進(jìn)的作用，使生物膜更加牢固地附著在填料上。

7、其中，在本發(fā)明的特定的聚乙烯樹脂體系下，所述的poe接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯（poe-g-gma）中含有poe和gma，poe-g-gma能夠有效的增強(qiáng)聚乙烯和聚碳酸酯之間的相互作用力，提高二者的相容性，改善共混體系的分散性和穩(wěn)定性，所述的poe接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯能夠與聚碳酸酯接枝反應(yīng)形成共價(jià)鍵，促進(jìn)聚碳酸酯、gma和poe之間形成化學(xué)結(jié)合橋梁，改善界面性，聚醚多元醇分子末端含有羥基，與gma的環(huán)氧基團(tuán)也可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得聚醚多元醇鏈段與poe-g-gma相互連接，從而在pc、pe和聚醚多元醇之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不僅提升了復(fù)合材料的相容性，還通過共價(jià)橋接減小了各組分界面的相分離傾向，避免聚乙烯、聚碳酸酯和聚醚多元醇之間發(fā)生相分離現(xiàn)象；同時(shí)pc、聚醚多元醇和poe-g-gma中均含有極性基團(tuán)。通過gma的引入，pc和聚醚多元醇的極性基團(tuán)更容易在界面相互作用，gma接枝的poe具有適中的極性，不僅能夠和pc、聚醚多元醇相互作用，還可以和pe具有一定的親和性，能夠促進(jìn)活性炭粉在表面粘附，從而使所述的濾管表面帶正電荷，其還可以改善pc、pe和聚醚多元醇之間的界面張力，促進(jìn)微生物在表面附著；另外，由于poe-gma的雙親特性（對(duì)極性pc和聚醚多元醇，以及非極性pe），poe-gma在界面處可形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過共價(jià)鍵和極性相互作用鏈接了pe、pc和聚醚多元醇的分子鏈，使得三元體系的結(jié)構(gòu)更加緊密穩(wěn)定，在界面處緩沖和緩解局部應(yīng)力，提高抗壓強(qiáng)度，本發(fā)明特定的poe-g-gma、pc能夠細(xì)化pe的晶粒，改善pe的結(jié)晶行為，促進(jìn)形成均勻和納米級(jí)和微米級(jí)的分散相結(jié)構(gòu)，從而有效的改善體系的抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

8、其中，針狀硅灰石粉具有較高的縱橫比，能夠在復(fù)合材料基體中形成物理支撐，顯著提高材料的抗壓強(qiáng)度，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得應(yīng)力更均勻地分散，減少了局部應(yīng)力集中，提高了濾管的承載能力，硅灰石粉表面可以與聚醚多元醇等極性成分相互作用，形成良好的界面粘附，從而增強(qiáng)了復(fù)合材料的整體強(qiáng)度。尤其在pc和pe中，針狀硅灰石粉的存在形成了良好的剛性支撐，提高了復(fù)合材料在壓力下的壓縮率；殼聚糖季銨鹽帶有季銨基團(tuán)，可以通過離子鍵和氫鍵等與pc和聚醚多元醇相互作用，從而提升材料的界面相容性，促進(jìn)應(yīng)力的均勻分布，提高抗壓性能，其柔性分子鏈段在分子層面可以充當(dāng)應(yīng)力緩沖，減小壓縮變形時(shí)的脆性裂紋形成，提升抗壓強(qiáng)度，針狀硅灰石粉與殼聚糖季銨鹽可以形成剛性-柔性復(fù)合增強(qiáng)體系。硅灰石粉提供剛性增強(qiáng)作用，提高抗壓強(qiáng)度；而殼聚糖季銨鹽的柔性增韌作用有效分散應(yīng)力，抑制了壓縮過程中的裂紋擴(kuò)展，使濾管具有更優(yōu)異的抗壓性能，且所述的針狀硅灰石和所述的殼聚糖季銨鹽能夠改善成型加工性能，促進(jìn)形成更加平滑的聚乙烯絲條，降低水流經(jīng)管道時(shí)的摩擦阻力，殼聚糖季銨鹽能夠與pe、pc、聚醚多元醇形成良好的界面粘附，使得管道光滑性進(jìn)一步提高，從而更加有效的改善抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

9、其中，所述的聚乙烯樹脂的用量為75~92份，例如可以是75份、76份、78份、80份、82份、84份、85份、86份、88份、90份、92份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

10、其中，所述的聚碳酸酯的用量為5~20份，例如可以是5份、6份、8份、10份、12份、15份、16份、18份、20份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

11、其中，所述針狀硅灰石粉的用量為6~12份，例如可以是6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

12、其中，所述聚醚多元醇的用量為4~10份，例如可以是4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

13、其中，所述相容劑的用量為2~8份，例如可以是2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

14、其中，所述殼聚糖季銨鹽的用量為1~8份，例如可以是1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

15、其中，所述異佛爾酮二異氰酸酯的用量為0.5~3份，例如可以是0.5份、1份、2份、3份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

16、其中，所述活性炭的用量為1~5份，例如可以是1份、2份、3份、4份、5份或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

17、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，包括以下重量份的組分：80~84份聚乙烯樹脂、10~15份聚碳酸酯、8~10份針狀硅灰石粉、6~8份聚醚多元醇、4~6份相容劑、2~5份殼聚糖季銨鹽、1~2份異佛爾酮二異氰酸酯、2~4份活性炭，尤其是各原料的用量在此范圍內(nèi)時(shí)，各原料的配伍性更好，能夠更進(jìn)一步的改善抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

18、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述聚醚多元醇在25℃下的粘度為270~600mpa·s，分子量為2000~3000，羥值為36~57.5mgkoh/g，尤其是采用此類參數(shù)的聚醚多元醇，在體系中具有更好的相容性，能夠促進(jìn)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，更進(jìn)一步改善抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

19、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述聚碳酸酯按照iso1133-2011方法，在300℃/1.2kg條件下的熔體流動(dòng)速率為10~20g/10min，例如可以是10g/10min、12g/10min、14g/10min、15g/10min、16g/10min、18g/10min、20g/10min或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍，通過控制聚碳酸酯的熔體流動(dòng)速率在此范圍，能夠更加有效的促進(jìn)形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)活性炭粉在表面粘附，有效的改善體系的抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

20、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述殼聚糖季銨鹽的粒徑為400~500目，例如可以是400目、450目、500目或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍，通過控制殼聚糖季銨鹽的粒徑在此范圍，能夠起到更好的應(yīng)力緩沖效果，減少減小壓縮變形時(shí)的脆性裂紋形成，與pe、pc、聚醚多元醇形成良好的界面粘附，使得管道光滑性進(jìn)一步提高，從而更加有效的改善抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

21、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述poe接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯按照iso1133-2011方法，在190℃/2.16kg條件下的熔體流動(dòng)速率為3~5g/10min，例如可以是3g/10min、3.5?g/10min、3.8?g/10min、4?g/10min、4.5?g/10min、5?g/10min，通過控制poe接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯的熔體流動(dòng)速率在此范圍，其與pc和pe具有更好的相容性，能夠更加有效的改善增強(qiáng)聚乙烯和聚碳酸酯之間的相互作用力，提高二者的相容性，改善共混體系的分散性和穩(wěn)定性，避免聚乙烯、聚碳酸酯和聚醚多元醇之間發(fā)生相分離現(xiàn)象，更加有效的改善體系的抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

22、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述針狀硅灰石的粒徑為600~800目，例如可以是600目、650目、700目、750目、800目或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

23、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述針狀硅灰石粉、殼聚糖季銨鹽的重量比為（2~4）：1，通過控制二者的重量比在此范圍，能夠更好的促進(jìn)形成剛性-柔性復(fù)合增強(qiáng)體系，同時(shí)改善聚乙烯絲條的平滑性，降低水流經(jīng)管道時(shí)的摩擦阻力，殼聚糖季銨鹽能夠與pe、pc、聚醚多元醇形成良好的界面粘附，使得管道光滑性進(jìn)一步提高，從而更加有效的改善抗壓強(qiáng)度和滲水性能。

24、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述聚乙烯樹脂與聚碳酸酯的重量之和與相容劑的重量比為（16.5~20）：1。

25、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述聚乙烯樹脂按照iso1133-2011方法，在190℃/2.16kg條件下的熔體流動(dòng)速率為0.2~0.55g/10min，例如可以是0.2g/10min、0.21?g/10min、0.25?g/10min、0.3?g/10min、0.35?g/10min、0.4?g/10min、0.45?g/10min、0.55?g/10min、0.55?g/10min或其中任意兩個(gè)數(shù)值組成的范圍。

26、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，還包括0.5~2重量份催化劑。

27、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述催化劑包括二月桂酸二丁基錫、二月桂酸二辛基錫或二(十二烷硫基)二丁基錫、pt催化劑中的至少一種。

28、優(yōu)選地，本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管還可以包括抗氧劑、著色劑、阻燃劑中的至少一種。

29、本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管可包括抗氧劑，合適的抗氧劑包括但不限于硫酯類抗氧劑、受阻酚抗氧劑、亞磷酸酯類抗氧劑、磷酸酯類抗氧劑以及它們的組合。

30、優(yōu)選地，所述硫酯類抗氧劑包括硫代二丙酸二烷基酯或季戊四醇四(3-月桂基硫代丙酸酯)中的至少一種。

31、優(yōu)選地，所述受阻酚抗氧劑包括四[β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(3,5-二叔丁基-4-羥基芐基)異氰尿酸酯、1,3,5-三(4-叔丁基-3-羥基-2,6-二甲基芐基)異氰尿酸酯、3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸十八碳醇酯、乙烯雙(氧乙烯基)雙[3-(5-叔丁基-4-羥基-間甲苯基)丙酸酯]中的至少一種。

32、優(yōu)選地，所述亞磷酸酯類抗氧劑包括三(2?,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯、季戊四醇雙二亞磷酸(2?,4-叔丁基苯基)酯中的至少一種。

33、優(yōu)選地，所述磷酸酯類抗氧劑包括雙(2?,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二磷酸酯。

34、本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管可包括潤(rùn)滑劑，合適的潤(rùn)滑劑包括但不限于超支化聚酯、硬脂酸鹽、乙撐雙硬脂酸酰胺、聚乙烯蠟以及它們的組合。

35、本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管可包括著色劑，合適的著色劑包括但不限于炭黑、鈦白粉、硫化鋅、鐵紅、鈦黃以及它們的組合。

36、本技術(shù)的第二方面提供了一種聚乙烯生物濾管的制備方法，包括以下步驟：

37、（1）將聚乙烯樹脂、聚醚多元醇、異佛爾酮二異氰酸酯、催化劑、殼聚糖季銨鹽加入到密煉機(jī)中密煉，得到混合料；將混合料、聚碳酸酯、針狀硅灰石粉、相容劑混合均勻，得到前驅(qū)料；

38、（2）將前驅(qū)料經(jīng)擠出機(jī)中熔融，熔體經(jīng)熔噴模頭噴絲孔噴出，得到聚乙烯絲條；

39、（3）將聚乙烯絲條用模具擠壓成型，得到濾管本體；

40、（4）利用脈沖式高壓靜電噴涂技術(shù)將活性炭噴涂于濾管本體表面，冷卻，得到聚乙烯生物濾管。

41、本發(fā)明先將除活性炭外的物質(zhì)進(jìn)行共混擠出，在進(jìn)行制絲，得到聚乙烯絲條，再將聚乙烯絲條擠壓成型，加熱，將活性炭利用脈沖式高壓靜電噴涂機(jī)涂于濾管本體表面，得到了具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和滲水性能，表面帶正電荷的聚乙烯生物濾管，其不僅能夠有效解決農(nóng)村污水治理問題，減少污水對(duì)環(huán)境的污染，還能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，降低農(nóng)村地區(qū)的能耗和用水成本，推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，能夠?yàn)檗r(nóng)村生態(tài)建設(shè)和環(huán)境治理提供了一種高效、可靠的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

42、作為本技術(shù)的實(shí)施方案，所述步驟（1）密煉溫度為160~200℃；

43、所述步驟（2）熔融溫度為220~250°；

44、所述步驟（4）噴涂的壓力0.3~0.5mpa，頻率0.8~1.2hz；溫度為180~200℃。

45、本技術(shù)的第三方面提供了一種聚乙烯生物濾管在農(nóng)村污水資源化中的應(yīng)用。

46、本發(fā)明的有益效果在于：（1）本發(fā)明以聚乙烯樹脂為基體，在聚碳酸酯、針狀硅灰石粉、聚醚多元醇、相容劑、殼聚糖季銨鹽、異佛爾酮二異氰酸酯、活性炭的協(xié)效作用下，得到了具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和滲水性能的聚乙烯生物濾管（塑料盲管），所述的聚乙烯生物濾管克服了傳統(tǒng)盲溝盲管材料的缺點(diǎn)，其表面帶正電荷的特性使其能夠吸附微生物，有效提供微生物著床，對(duì)污水中微生物進(jìn)行分解，避免污染積累堵塞，同時(shí)其抗壓強(qiáng)度高，在淺埋覆土的資源化利用消納體中，解決了生物填料因擠壓堵塞失效的問題。（2）本發(fā)明所述的聚乙烯生物濾管能夠有效解決農(nóng)村污水治理問題，減少污水對(duì)環(huán)境的污染，還能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，降低農(nóng)村地區(qū)的能耗和用水成本，推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，能夠?yàn)檗r(nóng)村生態(tài)建設(shè)和環(huán)境治理提供了一種高效、可靠的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實(shí)意義。