一种抗菌砂浆涂层的制备方法及应用

1.本发明涉及一种水泥砂浆的制备方法及应用，尤其涉及一种抗菌砂浆涂层的制备方法及应用。


背景技术：

2.当今世界正处于新型冠状病毒大流行时期，世界各国都在修建新医院或改善现有医院设施，据报道在巴黎、马萨诸塞州等地的下水管道以及部分非饮用水设施中检测到了新型冠状病毒，如果医院和污水处理系统等基础设施具有灭杀病毒的能力，则有利于防止病毒的传播和繁殖，因此研究制备具有抗菌性能的砂浆涂层具有重大的实际意义。
3.据统计，在印染废水中，有近15％的染料最终被排入污水，而这些染料只有45-47％是可被生物降解的，其余的都无法被生物降解且对生物有害，如果污水管道本身具有净水功能，可以大大降低处理成本。相比传统处理方法，非晶合金的fenton法不仅可以对染料进行脱色矿化，且处理效率高。研究非晶合金对砂浆处理污水性能的影响具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种能降解染料、提高砂浆力学性能及杀菌性能的抗菌砂浆涂层的制备方法；
5.本发明的第二个目的是提供上述方法制备的抗菌砂浆涂层在污水处理中的应用。
6.技术方案：本发明所述的抗菌砂浆涂层的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)制备铜钛非晶合金粉末；
8.(2)将铜钛非晶合金粉末与水、减水剂混合，然后与水泥混合搅拌，加入砂，搅拌，制得所述抗菌砂浆涂层。
9.其中，所述非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:35-65％，ti:35-65％；所述非晶合金更优选为cu
35
ti
65
、cu
50
ti
50
或cu
65
ti
35
。
10.其中，所述铜钛非晶合金粉末的粒径为0.2-1.6mm；其中，cu
35
ti
65
的粒径为0.2-1.0mm，cu
50
ti
50
的粒径为0.9-1.4mm，cu
65
ti
35
的粒径为1.1-1.6mm。
11.其中，步骤(2)中，按质量份数计，所述铜钛非晶合金粉末1.5-4.5份，水200-300份，减水剂1-3份，水泥400-500份，砂1100-1400份。
12.其中，步骤(1)中，所述制备铜钛非晶合金粉末的方法为：将铜粉、钛粉混合后球磨，所述球料比为10:1～20:1。
13.其中，所述球磨转速为400-500r/min。
14.其中，所述球磨时，每球磨两小时停止10-155min，然后变换球磨方向，总共球磨50-80h。
15.其中，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
16.本发明提供了利用上述的制备方法制备的抗菌砂浆涂层在污水处理中的应用。
17.发明原理：现有掺入砂浆中的非晶合金纤维无法达到降解染料和抗菌的效果，且非晶合金纤维无法有效提高砂浆的力学性能。本发明使用特定成分的非晶合金粉末，即，铜钛非晶合金粉末，一方面，本发明的铜钛非晶合金具有较强的杀菌和降解染料的能力，另一方面，在本发明特定元素组成及原子的摩尔百分数的铜钛非晶合金粉末的粒径范围内，能够有更多的颗粒吸附水泥成核，从而大幅降低砂浆孔隙率，提高其力学性能。此外，本发明优选的非晶合金粉末在砂浆中的掺量，也使得砂浆在降解染料、杀菌、力学性能方面达到较优的匹配。
18.有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明的铜钛非晶合金粉末使得有更多的颗粒吸附水泥成核，从而大幅降低砂浆孔隙率，能显著提高砂浆的抗折、抗压强度，同时具备较强的降解染料和杀菌能力；(2)在本发明的非晶合金粉末的粒径范围下，砂浆的力学性能、降解染料和抗菌能力达到较优的状态；(3)本发明提供的向砂浆加入非晶合金粉末的方法，能提高非晶合金在砂浆中的分散性能；(4)本发明所提供的污水处理方法与现有方法相比，为非晶合金提供了载体，可以提高非晶合金的重复利用率。
附图说明
19.图1为球磨前的铜、钛金属粉末的sem图；
20.图2为实施例1的球磨后的cu 35
ti
65
非晶合金粉末的sem图；
21.图3为实施例2的球磨后的cu 50
ti
50
非晶合金粉末的sem图；
22.图4为实施例1的球磨后的cu 65
ti
35
非晶合金粉末的sem图；
23.图5为实施例1、2、3的非晶合金的xrd图；
24.图6为实施例6、9、12的非晶合金砂浆的eds分层图像；
25.图7为实施例1-12和对比例2-5的非晶合金的杀菌率；
26.图8为实施例1-12和对比例1-5的非晶合金初次降解染料速率；
27.图9为实施例4、8、12非晶合金砂浆重复降解染料性能；
28.图10为实施例4、8、12的降解染料试验前后对比图；
29.图11为实施例1-12和对比例1-5的砂浆的抗折强度和抗压强度测试图；
30.图12为实施例1-3的非晶合金粉末的粒径分布测试图。
具体实施方式
31.下面对本发明作进一步详细描述。
32.实施例1
33.一种用于抗菌、处理污水的砂浆涂层的制备方法：将非晶合金与砂、水泥和水搅拌混合均匀后制得。水灰比为0.5，胶砂比为1:3，非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:35％，ti:65％；具体包括以下步骤：
34.(1)将原料按上述非晶合金的组成进行称量配比，原料选用纯度为99.99％的纯金属；将配比好的合金原料在抽真空的手套箱内装入不锈钢球磨罐，球料比为10:1，然后将球磨罐放入球磨机开始球磨，球磨机转速设置为500r/min，每球磨两小时停止15min，然后变换球磨方向，总共球磨60h。球磨结束后将所得的非晶合金粉末在抽真空的手套箱内取出。
35.(2)先将1.5份非晶合金粉末、225份水和2份聚羧酸减水剂混合，然后25℃超声
15min，每5min，用玻璃棒搅拌30s帮助分散，得混合物。
36.(3)将上述混合物与450份水泥倒入砂浆搅拌机，低速搅拌30s后倒入1350份砂并继续搅拌30s，然后高速搅拌90s。最终得到非晶合金砂浆y1-1。
37.实施例2
38.本实施例与实施例1的区别在于：非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:50％，ti:50％，最终得到非晶合金砂浆y2-1。
39.实施例3
40.本实施例与实施例1的区别在于：非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:65％，ti:35％，最终得到非晶合金砂浆y3-1。
41.实施例4
42.本实施例与实施例1的区别在于：非晶合金的份数为2.5份，最终得到非晶合金砂浆y1-2。
43.实施例5
44.本实施例与实施例1的区别在于：非晶合金的份数为3.5份，最终得到非晶合金砂浆y1-3。
45.实施例6
46.本实施例与实施例1的区别在于：非晶合金的份数为4.5份，最终得到非晶合金砂浆y1-4。
47.实施例7
48.本实施例与实施例2的区别在于：非晶合金的份数为2.5份，最终得到非晶合金砂浆y2-2。
49.实施例8
50.本实施例与实施例2的区别在于：非晶合金的份数为3.5份，最终得到非晶合金砂浆y2-3。
51.实施例9
52.本实施例与实施例2的区别在于：非晶合金的份数为4.5份，最终得到非晶合金砂浆y2-4。
53.实施例10
54.本实施例与实施例3的区别在于：非晶合金的份数为2.5份，最终得到非晶合金砂浆y3-2。
55.实施例11
56.本实施例与实施例3的区别在于：非晶合金的份数为3.5份，最终得到非晶合金砂浆y3-3。
57.实施例12
58.本实施例与实施例3的区别在于：非晶合金的份数为4.5份，最终得到非晶合金砂浆y3-4。
59.对比例1
60.本对比例与实施例1的区别在于：砂浆中未加入非晶合金，最终得到砂浆c1。
61.对比例2
62.本对比例与实施例1的区别在于：砂浆中加入市售纳米二氧化钛，最终得到砂浆c2-1；其中纳米二氧化钛的来源为锐钛，阿拉丁，质量分数为99.8％，粒径为60nm。
63.对比例3
64.本对比例与对比例2的区别在于：纳米二氧化钛的份数为2.5份，最终得到砂浆c2-2。
65.对比例4
66.本对比例与对比例2的区别在于：纳米二氧化钛的份数为3.5份，最终得到砂浆c2-3。
67.对比例5
68.本对比例与对比例2的区别在于：纳米二氧化钛的份数为4.5份，最终得到砂浆c2-4。
69.实施例1、2、3的非晶合金微观形貌如图1-4所示，从中可以看出，经过球磨后团聚的铜粉颗粒分散并与变小的钛粉颗粒结合。图5为实施例1、2、3的xrd图谱，从中可以看出，实施例3的晶峰最低，非晶化程度最高，图6为实施例6、9、12的eds分层图像，从中可以看出非晶合金粉末在砂浆中分布均匀。
70.性能测试：
71.杀菌率测试：将养护28d的一个20mm*20mm*20mm砂浆试件放入195ml的磷酸盐缓冲液中，然后注入5ml细菌浓度为10^6cfu/ml左右的大肠杆菌菌液，再将其放入37℃、转速为150r/min的恒温水浴振荡箱中，并采用平板计数法于3h、7h、12h、24h、72h测试其细菌浓度。杀菌率计算方法为：
72.r＝(n0-nr)/n0
×
100％
73.式中r表示杀菌率；n0表示对比例1的细菌浓度，；nr表示实施例的细菌浓度。
74.杀菌试验测试结果如图7所示，从中可以看出非晶合金砂浆具有良好的杀菌性能，且在相同掺量下，掺入非晶合金的砂浆的杀菌率都比掺入纳米二氧化钛的高，这表明非晶合金对砂浆杀菌性能的提升效果比纳米二氧化钛好。y3-4的杀菌性能最好，这是因为其掺入的非晶合金元素组成中杀菌性能优异的铜元素含量更高。随着非晶合金掺入的越多，砂浆的杀菌性能越好，但是提升效果逐渐下降，y3-4比y3-3的72h杀菌率只提高了5.46％。从经济的角度考虑，优选非晶合金掺入的份数为3.5份。
75.降解染料性能：将养护28d的一个20mm*20mm*20mm砂浆试件放入ph＝2、h2o2含量为50mmol/l的模拟染料废水溶液的锥形瓶中，模拟染料浓度为0.2g/l，然后将锥形瓶放入恒温水浴振荡箱，设置温度25℃，转速150r/min，通过染料褪色程度判断非晶合金砂浆污水处理性能。试验结果如图8所示，从中可以看出非晶合金砂浆均可以有效降解染料，且比常用的光催化砂浆，即相比纳米二氧化钛砂浆的催化性能好，其中y3-4降解染料效果最好。随着非晶合金掺入的越多，砂浆的降解染料性能逐渐提高，但提升效果逐渐降低。从经济的角度考虑，优选非晶合金掺入的份数为3.5份。
76.重复10次降解染料的试验结果如图9所示，从中可以看出非晶合金砂浆具有良好的可重复利用性，且砂浆中掺入非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:65％，ti:35％的重复利用性最好。
77.力学性能测试：参照gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》进行抗折、抗压强
度测试。
78.图10为实施例4、8、12和对比例1降解染料实验前后对比图片。从中可以看出，实验结束后实施例4、8、12的染料已经完全褪色，而对比例1的染料颜色几乎没有变化，这说明砂浆掺入非晶合金后可以对染料进行降解。
79.图11为砂浆的力学性能测试结果，从中可以看出掺入非晶合金后改善了砂浆的力学性能，y1-4砂浆力学性能改善效果更好。这是因为cu
35
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65
的非晶合金粉末粒径更小，相同掺量下，粒径更小可以有更多颗粒吸附水泥成核，降低砂浆孔隙率，提高其力学性能。同时，随着非晶合金掺量增加，砂浆力学性能也随之提高。结合非晶合金杀菌性能和降解染料性能，优选的非晶合金的元素组成及原子的摩尔百分数为cu:65％，ti:35％，掺入非晶合金的份数为3.5份。
80.图12为实施例1-3中的cu
35
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65
、cu
50
ti
50
、cu
65
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的粒径分布测试图，可以看出，cu
35
ti
65
的粒径为0.2-1.0mm，cu
50
ti
50
的粒径为0.9-1.4mm，cu
65
ti
35
的粒径为1.1-1.6mm。结合力学性能测试图可以看出，较小的粒径对砂浆的力学性能提升更明显。
81.由以上各实施例和对比例可以看出，随着非晶合金组成成分中铜原子百分比的增多，非晶合金粒径增大，粒径对于非晶合金砂浆的杀菌性能和降解染料性能的影响不明显，但会影响其力学性能，非晶合金粉末的粒径越小，对砂浆力学性能提升效果越好，这是因为粒径越小，单位体积砂浆内非晶合金就越多，可以提供的成核位点越多，更好的促进水泥水化，提高砂浆的力学性能。非晶合金砂浆的降解染料性能和杀菌性能主要受非晶合金的组成成分和掺量的影响，非晶合金组成成分中铜所占百分比越高，砂浆中非晶合金掺量越多，砂浆的杀菌性能和降解染料性能越好。