CN104652131A - 一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法。其中，生物活性碳纤维的制备方法包括以下步骤：S1：将比表面积＞1000m²/g的成品碳纤维放入酒精溶液中浸泡，进行脱浆处理，清洗后再放入丙酮溶液中浸泡，进行二次脱浆处理；S2：将醋酸铵溶液与碳酸氢铵溶液进行混合，得到混合溶液；S3：将S1中碳纤维作为阳极，同时将石墨、铜板作为阴极，且将S2的混合溶液为电解液，对碳纤维进行电化学改性处理；S4：将经过S3的碳纤维放置于氨水溶液中进行表面活性处理，形成生物活性碳纤维。该复合生态膜填料由生物活性碳纤维以及人造纤维混合编制形成，可应用不同污水领域，增强抗水流冲击的能力，降低成本，易于推广。

Description

一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法。

背景技术

生物膜法是目前广泛应用的一种污水处理技术，而载体填料是该技术的核心之一，它的材质和表面性能将直接影响微生物的附着、生长，进而影响污水的处理效果。根据填料的化学组成与来源可以分为无机填料、天然高分子填料、合成高分子填料、复合载体填料。其中，无机填料主要有焦炭、石英砂、活性炭等，优点是无机载体稳定性好、机械强度高、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等，缺点是水流阻力大，容易产生堵塞；天然高分子填料特点是无毒性，传质性能好，但其强度较低，在厌氧条件下易被微生物分解，使用寿命较短。合成有机高分子填料对微生物的腐蚀也有较强的抵抗力，其凝胶载体还具有强度较大的优点。复合载体填料是以有机材料和无机材料复合组成的新载体材料，特点是容易分离。

目前市面上常用的生物膜填料为塑料合成的软性填料或弹性填料，这些填料表面比较光滑，抗水流冲击差，不适合微生物短期内挂膜成功。此外由于很多填料采用再生塑料合成，因此往往容易老化、破碎，造成填料脱落或造成反应装置堵塞等现象。

碳纤维作为生物膜载体填料具有良好的生物相容性，比表面积大，物理、化学性质稳定，无毒，耐环境性优良等诸多优点。1997年日本学者小岛昭进行了PAN基碳纤维和好氧微生物关系的相关研究，结果发现碳纤维具有聚集和固定微生物的能力。Sato等人研究了用于天然水处理的PAN基活性碳纤维与微生物之间的关系，也发现了大量微生物吸附在碳纤维上。

目前碳纤维作为微生物的载体已开始应用于水污染治理方面。如：专利申请号为“200910083778.2”，名称为“炭纤维生物膜载体在废水处理中的应用”的专利。在该专利中公开了一种利用纤维本体经过预氧化处理、低温碳化处理、高温碳化处理的过程，最终形成了一种表面接触角50～180°、平衡含水率范围1.0％～5.9％的炭纤维作为生物膜载体。该生物膜载体可以快速固着硝化细菌、反硝化细菌、硫酸还原菌及厌氧产甲烷菌。特别适用于高COD、低碳硫比以及难降解物质的工业废水的生物处理。

专利申请号为“201110425930.8”，名称为“生物活性碳纤维、包括其的生态碳纤维复合材料及其制备方法”的专利。在该专利中公开了一种利用聚丙烯腈纤维、沥青纤维以3～5℃/分钟的速率逐步升温至200～300℃后，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝，将预氧丝在氮气氛围下，以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃后，以水蒸气作为活化剂，进行30～90分钟的碳化及活化处理，形成生物活性碳纤维，这种生物活性碳纤维比表面积大于1000m²/g，吸附性较高，将该材料进行污水处理，挂膜后COD与氨氮去除率有显著提高。

在上述两个专利中所提供的生物活性碳纤维制备方法非常复杂，工序繁琐，成本高，能耗高，而且用以上方法制备的活性碳纤维的比表面积依然不够大，还需进一步改性提高，同时这种方法制备的碳纤维强度低，抗水流冲击能力较差。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法。

本发明提供了一种生物活性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将比表面积＞1000m²/g的成品碳纤维放入质量浓度为15％的酒精溶液中浸泡3～8分钟后，进行第一次脱浆处理，清洗后再放入质量浓度为10％的丙酮溶液中浸泡5～10分钟，进行第二次脱浆处理，清洗、晾干；

S2：将质量浓度为2％～12％的醋酸铵溶液与质量浓度5％～10％的碳酸氢铵溶液以体积比为2∶5的比例进行混合，得到碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液；

S3：将S1中第二次脱浆处理后的碳纤维作为阳极，同时将石墨、铜板作为阴极，且将S2中配置的碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液为电解液，对碳纤维进行连续阳极化处理，电解液的温度设定为12～40℃，电流密度设定为5～20mA·cm^-2，电解时间设定为30～180S，进行电化学改性处理，电解完毕后，再将碳纤维清洗、干燥；

S4：将电化学改性处理后的碳纤维放置于浓度为20％以下的氨水溶液中，采用频率为40～120KHZ的超声波下处理20～40分钟，进行表面活性处理；

S5：将经过表面活性处理后的碳纤维用水溶性的环氧树脂上胶，上胶厚度为0.001～0.01mm，形成生物活性碳纤维。

本发明还提供一种生物活性碳纤维，该生物活性碳纤维由上述所述的制备方法制备而成。

本发明还提供一种复合生态膜填料组件，包括外层保护框和复合生态膜填料，所述复合生态膜填料设置在所述外部保护框内，所述复合生态膜填料由权利要求2中的生物活性碳纤维以及人造纤维混合编制于无纺布绳上形成，所述人造纤维包括锦纶、涤纶、丙纶、维纶、尼龙、聚乙烯或聚氯乙烯中的两种或多种。

可选的，所述外层保护框为金属保护框。

可选的，所述外层保护框的两侧面均匀设置有多个悬挂孔，所述复合生态膜填料通过所述多个悬挂孔设置在所述外部保护框内。

本发明还提供一种复合生态膜填料组件的制备方法，其特征在于，包括将上述的生物活性碳纤维与人造纤维混合编制于无纺布绳上形成复合生态膜填料，再将所述复合生态膜填料悬挂于外层保护框内即形成复合生态膜填料组件，具体步骤的为：

将所述生物活性碳纤维与人造纤维分别间隔沿着无纺布绳长度的方向均匀紧密排布形成复合生态膜填料；在同一横断面上，所述生物活性碳纤维连接并横穿于无纺布绳上，且每层两种或两种以上的人造纤维360°环绕结合于无纺布绳上，同时与无纺布绳之间呈30°～80°之间的夹角，每两条生物活性碳纤维之间有一定的距离，将所述复合生态膜填料悬挂于外层保护框内，外层保护框的尺寸随着污水或废水处理量的大小而不同，形成复合生态膜填料组件。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、通过本发明提供的一种生物活性碳纤维制备方法，该方法所制备的生物活性碳纤维比表面积大、孔径呈孔状结构、且分布均匀，增加了生物活性碳纤维的吸附性；

2、同时，本发明中通过本发明提供的一种生物活性碳纤维制备方法，简化了常规制备碳纤维的工艺步骤，工艺简单、降低了能耗，由于直接采用的成品碳纤维，降低了成本，易实现；

3、本发明提供的一种复合生态膜填料，采用的生物活性碳纤维与人造纤维混合编制形成，进一步降低了成本，并且融合了碳纤维填料与软性填料、弹性填料的优点，不仅增强了强度，而且使其更具有了生物相容性，不仅能通过自身吸附作用挣化水体，而且能更加快速的吸引微生物在其表面聚集、附着形成天然生物膜，更加迅速的降解水中的营养物质；

4、本发明提供的一种复合生态膜填料组件，使得该复合生态膜填料得到了更好的保护，增强了抗水流冲击的能力；

5、本发明提供的一种复合生态膜填料组件，可以根据待处理的水体受污染程度的不同，可与微生物系统、曝气系统、生态浮岛等自由组合使用，应用形式多样，且可适用于各种污水领域的治理。

附图说明

图1为本发明提供的一种生物活性碳纤维、包括其的复合生态膜填料组件及其制备方法的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的实施例提供一种生物活性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：S1：将比表面积＞1000m²/g的成品碳纤维放入质量浓度为15％的酒精溶液中浸泡3～8分钟后，进行第一次脱浆处理，清洗后再放入质量浓度为10％的丙酮溶液中浸泡5～10分钟，进行第二次脱浆处理，清洗、晾干；S2：将质量浓度为2％～12％的醋酸铵溶液与质量浓度5％～10％的碳酸氢铵溶液以体积比为2∶5的比例进行混合，得到碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液；S3：将S1中第二次脱浆处理后的碳纤维作为阳极，同时将石墨、铜板作为阴极，且将S2中配置的碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液为电解液，对碳纤维进行连续阳极化处理，电解液的温度设定为12～40℃，电流密度设定为5～20mA·cm^-2，电解时间设定为30～180S，进行电化学改性处理，电解完毕后，再将碳纤维清洗、干燥；S4：将电化学改性处理后的碳纤维放置于浓度为20％以下的氨水溶液中，采用频率为40～120KHz的超声波下处理20～40分钟，进行表面活性处理；S5：将经过表面活性处理后的碳纤维用水溶性的环氧树脂上胶，上胶厚度为0.001～0.01mm，形成生物活性碳纤维；该生物活性碳纤维的制备方法中，优选采用的是成品碳纤维，而不是聚丙烯腈、沥青纤维等原丝，直接省去了预氧化处理、低温碳化、高温碳化等过程，简化了工艺，节约了成本，降低了能耗；优选经过两次的脱浆处理使得成品碳纤维表面的憎水基团全部去除，有利于发挥碳纤维在水中的分散性好的特点，使得碳纤维的吸附性能更好；优选经过电化学表面改性，与超声波表面改性，使得该高效生物活性碳纤维获得好的表面结构，表面粗糙度增加，表面官能团增加、且能够改善与水的亲和性能，使其接触角变小，表面呈现出亲水性；制备方法所制备的生物活性碳纤维比表面积大、孔径呈孔状结构、且分布均匀，增加了生物活性碳纤维的吸附性。

本发明实施例还提供一种生物活性碳纤维，该生物活性碳纤维由上述所述的制备方法制备而成。

如图1所示，本发明实施例还提供一种复合生态膜填料组件，包括外层保护框4和复合生态膜填料6，所述复合生态膜填料6设置在所述外部保护框4内，所述复合生态膜填料6由上述所述的生物活性碳纤维2以及人造纤维3混合编制于无纺布绳1上形成，所述人造纤维3包括锦纶、涤纶、丙纶、维纶、尼龙、聚乙烯或聚氯乙烯中的两种或多种；该复合生态膜填料采用的生物活性碳纤维与人造纤维混合编制形成，进一步降低了成本，并且融合了碳纤维填料与软性填料、弹性填料的优点，不仅增强了强度，而且使其更具有了生物相容性，不仅能通过自身吸附作用净化水体，而且能更加快速的吸引微生物在其表面聚集、附着形成天然生物膜，更加迅速的降解水中的营养物质，同时使得复合生态膜填料组件得到了更好的保护，增强了抗水流冲击的能力。

作为上述实施例的优选实施方式，所述外层保护框4为金属保护框。

作为上述实施例的优选实施方式，所述外层保护框4的两侧面均匀设置有多个悬挂孔5，所述复合生态膜填料6通过所述多个悬挂孔4设置在所述外部保护框内。

本发明还提供一种复合生态膜填料组件的制备方法，包括将上述所述的生物活性碳纤维与人造纤维混合编制于无纺布绳上形成复合生态膜填料，再将所述复合生态膜填料悬挂于外层保护框内即形成复合生态膜填料组件，具体步骤的为：

将所述生物活性碳纤维与人造纤维分别间隔沿着无纺布绳长度的方向均匀紧密排布形成复合生态膜填料；在同一横断面上，所述生物活性碳纤维连接并横穿于无纺布绳上，且每层两种或两种以上的人造纤维360°环绕结合于无纺布绳上，同时与无纺布绳之间呈30°～80°之间的夹角，每两条高效生物活性碳纤维之间有一定的距离，将所述复合态膜填料悬挂于外层保护框内，外层保护框的尺寸随着污水或废水处理量的大小而不同，形成高效的复合碳纤维生态膜填料组件。

实施例

以北京市大兴某支流河道为例进行了研究，该支流河道宽约5米，长度约2km，河深平均1.5米，底泥平均约0.6米，水流缓慢。该支流河道周边有农村生活污水排放、企业排污及餐饮废水，水体黑臭。检测显示，该支流河道COD平均达到240mg/L，总磷为1.3mg/L，总氮达到9.27mg/L，河流水质为劣五类水体。试验河道选取了下游河道约100米，在河道中采用了该复合生态膜填料组件，顺着水流方向放置了若干组该组件；该复合生态膜填料选用的高效生物活性碳纤维、涤纶、尼龙的混合编织而成；每组组件放置了多根该复合生态膜填料，启动微曝气装置进行连续式曝气，增加该支流水体的溶解氧，分解有机物。

通过本发明提供的复合生态膜填料组件的处理，从7月起约8周，实验区河道水体水质净化效果明显，COD降低到了63.1，TP降低到了0.23，TN降到了2.61；对COD、TP、TN的去除率分别为：72％、80％、71％，净化效果明显。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种生物活性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将比表面积＞1000m²/g的成品碳纤维放入质量浓度为15％的酒精溶液中浸泡3～8分钟后，进行第一次脱浆处理，清洗后再放入质量浓度为10％的丙酮溶液中浸泡5～10分钟，进行第二次脱浆处理，清洗、晾干；

S2：将质量浓度为2％～12％的醋酸铵溶液与质量浓度5％～10％的碳酸氢铵溶液以体积比为2∶5的比例进行混合，得到碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液；

S3：将S1中第二次脱浆处理后的碳纤维作为阳极，同时将石墨、铜板作为阴极，且将S2中配置的碳酸氢铵与醋酸铵的混合溶液为电解液，对碳纤维进行连续阳极化处理，电解液的温度设定为12～40℃，电流密度设定为5～20mA·cm^-2，电解时间设定为30～180S，进行电化学改性处理，电解完毕后，再将碳纤维清洗、干燥；

S4：将电化学改性处理后的碳纤维放置于浓度为20％以下的氨水溶液中，采用频率为40～120KHZ的超声波下处理20～40分钟，进行表面活性处理；

S5：将经过表面活性处理后的碳纤维用水溶性的环氧树脂上胶，上胶厚度为0.001～0.01mm，形成生物活性碳纤维。

2.一种生物活性碳纤维，其特征在于，该生物活性碳纤维由所述权利1所述的制备方法制备而成。

3.一种复合生态膜填料组件，其特征在于，包括外层保护框和复合生态膜填料，所述复合生态膜填料设置在所述外部保护框内，所述复合生态膜填料由权利要求2中的生物活性碳纤维以及人造纤维混合编制于无纺布绳上形成，所述人造纤维包括锦纶、涤纶、丙纶、维纶、尼龙、聚乙烯或聚氯乙烯中的两种或多种。

4.根据权利要求3所述的复合生态膜填料组件，其特征在于，所述外层保护框为金属保护框。

5.根据权利要求3所述的复合生态膜填料组件，其特征在于，所述外层保护框的两侧面均匀设置有多个悬挂孔，所述复合生态膜填料通过所述多个悬挂孔设置在所述外部保护框内。

6.一种复合生态膜填料组件的制备方法，其特征在于，包括将权利要求2中生物活性碳纤维与人造纤维混合编制于无纺布绳上形成复合纤维生态膜填料，再将所述复合生态膜填料悬挂与外层保护框内即形成复合生态膜填料组件，具体步骤的为：

将所述生物活性碳纤维与人造纤维分别间隔沿着无纺布绳长度的方向均匀紧密排布形成复合生态膜填料；在同一横断面上，所述生物活性碳纤维连接并横穿于无纺布绳上，且每层两种或两种以上的人造纤维360°环绕结合于无纺布绳上，同时与无纺布绳之间呈30°～80°之间的夹角，每两条高效生物活性碳纤维之间有一定的距离，将所述复合生态膜填料悬挂于外层保护框内，外层保护框的尺寸随着污水或废水处理量的大小而不同，形成复合生态膜填料组件。