CN103058356A - 一种环保碳纤维丝表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环保碳纤维丝表面改性方法，首先将碳纤维原丝依次用丙酮和硝酸浸泡，再在活化气体的氛围下进行活化。经过本方法得到的改性的碳纤维丝，表面含氧官能团增加，生物亲和性增强，挂膜量和挂膜速率大幅度提高，是优良的生物载体，不仅可以直接净化河湖水质，还可以应用于工业废水处理和原水净化。本方法的碳纤维丝改性方法简单易行，环境友好，有广泛应用前景，可用于河湖水质直接净化，对湖泊富营养化控制、废污水净化、饮水安全、生物能源原料藻培育与水生态系统自我修复具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及无机非金属材料科学和环境科学，特别涉及一种环保碳纤维丝表面改性方法。
背景技术
河湖富营养化控制技术主要采用物理方法（如引江济湖、清淤、物理沉淀、吸附、过滤等）、化学方法（如絮凝剂、除藻剂、消毒剂等）、生物方法（如生物剂、生物膜法、活性污泥法等）、生态修复法（如氧化塘、浮岛、湿地、生物操纵控制、着生藻类控制等）。化学方法容易产生毒副作用，单一的物理、生物治理方法不能从根本上解决问题，还有可能造成二次污染和生态系统的破坏。
因此采用符合水体生态系统规律的物理、生物、生态修复等多种技术的复合技术是河湖治理的主要方向，特别是借助载体材料以吸附、微生物膜修复改善水环境条件从而促进着生藻类和水生植物自我恢复的复合技术正在成为国内外研究控制富营养化水体原位修复的热门领域。
目前水处理领域人工介质材料主要是自然填料和人工填料。自然填料有活性碳粉、陶粒、高岭土、卵石、沸石、火山灰等，人工填料主要采用聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子聚合物材料制成。自然填料容易堵塞和发生化学反应，形成二次污染。人工填料大多生物亲和性差、强度和韧性不足、不耐腐蚀、不耐高温、吸附性能较低，不能长期使用。
碳纤维是一种比表面积巨大，可使大量微生物快速黏附，具有高强度与高弹性模量，对微生物有高效富集和激活作用，而且在水中耐腐蚀，寿命长，不会对环境造成二次污染。每克碳纤维丝可以为水中微生物和藻类等的生长、繁殖提供约800～3000平方米的生物附着表面积，是实现高效微生物群落的基础条件。
发明内容
本发明针对目前水处理技术和载体材料存在的不足，提供了一种环保碳纤维丝表面改性方法。
一种环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：步骤如下；
步骤1：取碳纤维原丝，用丙酮溶液浸泡1~4小时后，取出晾干；再用硝酸浸泡3~6小时后取出烘干，得到初步改性的碳纤维丝；
步骤2 ：将初步改性的碳纤维丝在活化气体的氛围下活化，得到改性的碳纤维丝。
作为其优选项：
1）所述的碳纤维原丝为PAN基碳纤维丝；
2）所述丙酮溶液中丙酮的质量分数≥95%；
3）所述硝酸的质量分数为45%~85%；
4）烘干的温度为100℃~350℃。
上述步骤2的具体方法有如下两种：
第一种：将初步改性的碳纤维丝放入高温高压装置，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持3~6小时，取出于120℃~150℃烘干，得到改性的碳纤维丝。
第二种：将初步改性的碳纤维丝放入气相氧化装置，通入CO2或N2，控制CO2或N2的流量为300~700mL/min并保持，升温至800℃~950℃后，恒温2~4小时，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。
经本发明改性处理得到的生物活性碳纤维丝，和普通的碳纤维丝相比，其比表面积更大且表面含有微生物亲和性的化学基团，能更好地吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，并为各类微生物的生长、繁殖提供良好的着生、附着或穴居条件，形成具有很强净化功能的动态 “生物膜”和活性污泥团，挂膜量和挂膜速率大幅度提高。
普通碳纤维丝的比表面积为800~1500 m2/g，经本发明方法得到的碳纤维丝的比表面积1500～2500m2/g、孔径分布为0.8nm~1.8nm，对微生物和悬浮物的吸附能力可以达到50g/g以上，均优于普通碳纤维丝。
经水蒸气活化处理得到的改性碳纤维丝，其含氧官能团增加，氧含量可以达到15%~25%，含水率达到10%~20%。
将改性的碳纤维直接应用于河湖水质原位处理时污水处理的效果好，能够将湖泊受污染的劣V类水体经过4天处理达到IV类水质，2个月可以达到III类水质，5个月达到II类水质。能够促进本土的微生物、高产油高蛋白藻类和水生植物的生长，可快速实现水生态系统的自我修复、培育微藻生物质、固定CO2。而且成本低，无能耗，无二次污染，不需要清淤，管理简单，无运行费用，可以弥补现有方法的不足。
经本发明改性处理得到的生物活性碳纤维丝，表面含氧官能团增加，生物亲和性增强，挂膜量和挂膜速率大幅度提高，是优良的生物载体，不仅可以直接净化河湖水质，还可以应用于工业废水处理和原水净化。
本发明方法简单易行，环境友好，有广泛应用前景，对湖泊富营养化控制、废污水净化、饮水安全、生物能源原料藻培育与水生态系统自我修复具有重要意义。
附图说明
图1：未经改性的碳纤维丝放入水中的状态；
图2：改性后的碳纤维丝放入水中的状态；
图3：未处理的碳纤维6天挂摸情况（实验条件下）与改性后的碳纤维6天挂摸情况（实验条件下）对比图；
图4：实施例1制得的改性的碳纤维丝在天然水体下的挂膜情况图；
图5：实施例1制得的改性的碳纤维丝在天然水体下挂膜后的显微镜视图；
图6：实施例2制得的改性的碳纤维丝在天然水体下的挂膜情况图；
图7：实施例2制得的改性的碳纤维丝在天然水体下挂膜后的显微镜视图。
具体实施方式
实施例1
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为95%的丙酮溶液浸泡2小时后，取出晾干；再用质量分数为65%的硝酸浸泡4小时后取出，在温度为120℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入管式气氛炉，通入CO2，控制CO2的流量为500mL/min并保持，升温至850℃后，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。
3）对比试验
将未经改性的碳纤维丝与改性过的碳纤维丝进行挂膜对比实验，对比试验实施6天后观察挂膜情况。
如图3所示未处理的碳纤维6天挂摸情况（实验条件下）与改性后的碳纤维6天挂摸情况（实验条件下）对比图；
如图4所示为制得的改性的碳纤维丝在天然水体下的挂膜情况图；
如图5所示为天然水体下的挂膜的改性的碳纤维丝的显微镜视图；
可以看到，未经改性的碳纤维丝湿润性差，不易散开，6天后碳纤维丝还是束状，其上只有极少微生物固着量。
可以看到，经过改性的碳纤维丝能够迅速放射状散开在液体中，表面有很好的润湿性，吸附了很多的微生物，形成生物膜。
实施例2：
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为96%的丙酮溶液浸泡2小时后，取出晾干；再用质量分数为65%的硝酸浸泡4小时后取出，在温度为100℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入高温高压炉，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持3小时，取出于150℃烘干，得到改性的碳纤维丝。
3）挂膜实验：将所得的改性的碳纤维丝在东湖的天然湖泊水体进行挂膜实验，实施3天后观察挂膜情况；
图6所示为制得的改性的碳纤维丝在天然水体下的挂膜情况图；
图7所示为挂膜的改性的碳纤维丝的显微镜视图；
可以看到微生物大量吸附在改性碳纤维丝上，且粘附力强、不易脱落，能够迅速净化水体。
实施例3
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为97%的丙酮溶液浸泡浸泡4小时后，取出晾干；再用质量分数为55%的硝酸浸泡6小时后取出，在温度为300℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入管式气氛炉，通入N2，控制N2的流量为300mL/min并保持，升温至800℃后，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。
实施例4
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为98%的丙酮溶液浸泡浸泡1小时后，取出晾干；再用硝酸浸泡3小时后取出，在温度为100℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入管式气氛炉，通入N2，控制N2的流量为700mL/min并保持，升温至950℃后，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。
实施例5：
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为99%的丙酮溶液浸泡4小时后，取出晾干；再用质量分数为45%的硝酸浸泡6小时后取出，在温度为350℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入高温高压炉，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持3小时，取出于120℃烘干，得到改性的碳纤维丝。
实施例6：
1）将PAN基碳纤维原丝用质量分数为95%的丙酮溶液浸泡1小时后，取出晾干；再用质量分数为85%的硝酸浸泡3小时后取出，在温度为100℃的条件下烘干，得到初步改性的碳纤维丝。
2）将初步改性的碳纤维丝放入高温高压炉，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持6小时，取出于150℃烘干，得到改性的碳纤维丝。
Claims (4)
1.一种环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：步骤如下；
步骤1：取碳纤维原丝，用丙酮溶液浸泡1~4小时后，取出晾干；再用硝酸浸泡3~6小时后取出烘干，得到初步改性的碳纤维丝；
步骤2 ：将初步改性的碳纤维丝在活化气体的氛围下活化，得到改性的碳纤维丝。
2.如权利要求1所述的环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：
1）所述的碳纤维原丝为PAN基碳纤维丝；
2）所述丙酮溶液中丙酮的质量分数≥95%；
3）所述硝酸的质量分数为45%~85%；
4）烘干的温度为100℃~350℃。
3.如权利要求1或2所述的环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：所述步骤2具体为，将初步改性的碳纤维丝放入高温高压装置，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持3~6小时，取出于120℃~150℃烘干，得到改性的碳纤维丝。
4.如权利要求1和2所述的环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：所述步骤2具体为，将初步改性的碳纤维丝放入气相氧化装置，通入CO2或N2，控制CO2或N2的流量为300~700mL/min并保持，升温至800℃~950℃后，恒温2~4小时，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。
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