CN114288720B - 一种碳纤维过滤器、其再生方法及碳纤维过滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过滤的技术领域，具体涉及一种碳纤维过滤器、其再生方法及碳纤维过滤装置，碳纤维过滤器包括中心滤体和缠绕于所述中心滤体的碳纤维丝，所述中心滤体为中空状并设置有出水口，所述中心滤体的表面设置有至少一个凹槽，所述凹槽区域内设置有多个通孔，所述通孔和出水口均与所述中心滤体的中空状的内腔连通，所述碳纤维丝经恒力缠绕在所述凹槽内形成过滤层。本发明的纤维过滤器将高强度的碳纤维丝用恒力缠绕在凹槽中，使凹槽中纤维定向集聚紧密、并形成过滤孔，且随着缠绕层的加厚形成的过滤层的孔径沿水流方向逐渐变小，达到深层过滤的效果；通过改变恒力的大小实现过滤层孔径的可调控性。

Description

一种碳纤维过滤器、其再生方法及碳纤维过滤装置

技术领域

本发明涉及过滤的技术领域，具体涉及一种碳纤维过滤器、其再生方法及碳纤维过滤装置。

背景技术

微滤技术属于低压驱动的膜技术，运行压力通常在0.35MPa，初始通量为10^-4～10^-2m/s，可以截留粒径范围在0.1～1μm的悬浮胶体和颗粒物。由于微滤膜的孔隙率和较大的内表面积，微滤技术广泛应用于细菌、酵母和哺乳动物细胞的分离；气体、含病毒溶液的净化与灭菌；食品加工中的净化；油水分离；水与废水处理等领域。在水与废水处理中，微滤技术通常与混凝、吸附等前处理技术联用，达到去除颗粒状COD和悬浮颗粒的目的。

过滤技术广泛应用于水处理领域，膜分离技术主要机理为尺寸排斥(如微滤)，污染物在膜孔和膜表面截留，最终导致膜污染，引起膜通量降低，从而引发高能耗、更长的停机时间和膜面积的减少等不良后果。因此需要相关的技术来解决该问题，如北京金泽环境能源技术研究有限公司申请的专利号为201510778873.X中公布一种在线的分单元进行超滤/微滤膜化学清洗系统，但该专利所使用的化学清洗试剂仅限于食品级才能保证不产生有害的清洗污水；湖州科滤膜技术有限公司申请的专利号为201810255408.1中公布通过气泡发生器和尖刺装置，利用气泡爆炸效应实现对微孔滤膜管壁的污染清洗，但该清洗装置结构复杂，且通气管容易发生堵塞等情况，不能完全解决膜的深层污染；济南大学申请的专利号202110171638.1中公布了纳米气泡技术与化学清洗联用的的膜清洗技术，清洗过程较为繁琐，纳米气泡的产生同样依靠于气泡发生器，更容易发生堵塞。

综上所述，常规的原位物理清洗结构较复杂，且化学清洗对膜结构有不可逆影响，降低膜的使用寿命，从而提高膜分离技术的使用成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种碳纤维过滤器，过滤孔径可控，抗污染性能强且能进行原位电清洗。

本发明的目的之二在于提供一种碳纤维过滤器的再生方法，方法简单，可实现原位再生。

本发明的目的之三在于提供一种碳纤维过滤装置。

本发明实现目的之一所采用的方案是：一种碳纤维过滤器，包括中心滤体和缠绕于所述中心滤体的碳纤维丝，所述中心滤体为中空状并设置有出水口，所述中心滤体的表面设置有至少一个凹槽，所述凹槽区域内设置有多个通孔，所述通孔和出水口均与所述中心滤体的中空状的内腔连通，所述碳纤维丝经恒力缠绕在所述凹槽内形成过滤层。

优选地，所述凹槽为倒三角形凹槽，其夹角角度为10～160。

优选地，所述过滤层的孔隙自倒三角形凹槽的底部向外延伸的方向逐渐增大。

优选地，所述碳纤维丝经10～200N的恒力缠绕在所述凹槽内。

优选地，所述碳纤维丝为经酸浸改性后的改性碳纤维丝。

酸改性方法为：将清洁后的碳纤维，浸泡在45wt.％的HNO₃溶液中，在60℃条件下加热2h，然后用超纯水冲洗至pH不发生变化。

经过浸渍酸改性后，提高了碳纤维丝的亲水性和疏油性，能有效实现油水分离。

优选地，所述碳纤维丝为高温烧蚀改性后的改性碳纤维丝。

高温烧蚀改性的方法为：将碳纤维丝清洗、干燥后，在400～600℃进行高温处理，之后降温取出清洗烘干，得到改性碳纤维丝。

另外，碳纤维丝可以通过不同的改性方式，对其亲疏水性、亲疏油性、表面电性等性质进行调节，以适用于不同性质污水的分离。

本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的碳纤维过滤器的再生方法，将所述碳纤维丝作为阴极置于电解液，与惰性阳极连通之后中进行水电解，阴极产生大量微气泡，利用微气泡对碳纤维丝表面进行冲刷实现原位再生。

优选地，卸掉所述碳纤维丝所受恒力后将碳纤维丝作为阴极置于电解液。

优选地，电解电压为1.2-8V。

电解质并不做过多限定，在再生过程中，电解质只是起到离子迁移构成电流回路的作用，而其自身不发生变化(比如说生成沉淀或气体，如氯气)，一般采用的电解质为Na₂SO₄、K₂SO₄、Na₂CO₃、K₂CO₃中的至少一种，也可根据需要选择其他的电解质。

本发明实现目的之三所采用的方案是：一种碳纤维过滤装置，包括所述的碳纤维过滤器。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的纤维过滤器将高强度的碳纤维丝用恒力缠绕在凹槽中，使凹槽中纤维定向集聚紧密、并形成过滤孔，且随着缠绕层的加厚形成的过滤层的孔径沿水流方向逐渐变小，达到深层过滤的效果；通过改变恒力的大小实现过滤层孔径的可调控性。原水从纤维外部滤过，滤液从过滤柱内部流出，最小可截留0.1μm左右的污染物。

碳纤维丝表面抗污染能力强，反冲洗和化学再生有较好的再生效果；相比于普通滤料和微滤膜等成型滤料，本发明中施加在碳纤维丝上的恒力可自由松懈，卸掉碳纤维丝所受拉力后再进行反冲洗释放孔隙中污染物，有效防止滤料孔隙被永久堵塞。

碳纤维丝对部分大分子有机物如腐殖酸等有一定的吸附作用，可实现有选择性的去除污染物。

由于碳纤维丝具有十分优良的导电性，将其作为阴极，在加电的情况下电解水产生大量微气泡作用于碳纤维表面，从而实现碳纤维滤料的原位再生。

附图说明

图1为本发明纤维过滤器的结构示意图；

图2为本发明纤维过滤器的过滤示意图；

图3为将本发明的纤维过滤器进行电反洗过程的示意图；

图4为采用本发明的纤维过滤装置在不同操作压力条件下，过滤不同污染物所引起的通量变化；

图5为将本发明的纤维过滤器经过不同加电反清洗条件下过滤混合溶液比通量的变化；

图6为拉力对本发明的碳纤维过滤层平均孔径与纯水通量大小影响的关系图；

图7为不同拉力下本发明的纤维过滤器过滤前后高岭土悬浊液粒径分布图；

图8为实施例三中纤维过滤器的结构示意图。

图中：1、外池体；2、上盖板；3、橡胶垫；4、固定螺栓；5、进气口；6、进水口；7、池体出水口；8、支撑板；9、中心滤体；10、倒三角形凹槽；11、碳纤维丝；12、出水口；13、阳极；14、电解液。

表1为不同加电反清洗条件下过滤混合溶液的浊度去除率。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例一

如图1所示为碳纤维过滤器的结构，包括中心滤体9和缠绕于所述中心滤体9的碳纤维丝11，所述中心滤体9为中空状并设置有出水口12，所述中心滤体9的表面设置有至少一个凹槽10，所述凹槽10区域内设置有多个通孔，所述通孔和出水口12均与所述中心滤体9的中空状的内腔连通，所述碳纤维丝11经恒力缠绕在所述凹槽10内形成过滤层。所述碳纤维丝11经恒力缠绕在所述凹槽10内。凹槽10为倒三角形凹槽10，其夹角角度为10～160，所述碳纤维丝11缠绕形成的孔隙自倒三角形凹槽10的底部向外延伸的方向逐渐增大。所述碳纤维丝11经10～200N的恒力缠绕在所述凹槽10表面。本实施例中碳纤维丝11为预处理后的PAN碳纤维长丝。在其他实施例中所述碳纤维丝11也可为经酸浸改性后的改性碳纤维丝或为高温烧蚀改性后的改性碳纤维丝。

如图2所示，为本发明的纤维过滤器的过滤示意图，过滤的过程如下：将原水没过中心滤体9，压力作用于原水表面，原水中大于过滤孔径的颗粒物被碳纤维丝11缠绕形成的过滤层截留，部分大分子有机物如腐殖酸等被碳纤维丝11表面吸附，其余无法截留的物质经过中心滤体9的出水口12排出。

当过滤通量降低至初始通量的20％时，停止过滤，取出中心滤体9，对碳纤维丝11进行反冲洗和再生。具体实施方法：将卸掉施加在碳纤维丝11上的力，使过滤层空隙变大。以400mL 50mmol/L Na₂SO₄作为电解液14，以尺寸稳定阳极作为阳极13，以中心滤体9上的碳纤维丝11作为阴极，施加1.2-8V的直流电使电极表面产生大量微气泡，利用微气泡对碳纤维丝11的表面进行冲刷实现原位再生。在其他实施例中可以选择其他的电解液和阳极进行原位电解再生，原位电解再生的原理是通过电解水产生微气泡对碳纤维丝11的表面进行冲刷实现原位再生。如图3所示，为将本发明的纤维过滤器进行电反洗过程的示意图。

将改性碳纤维丝11用大小为25N的恒力均匀的缠绕在中心滤体9的倒三角形凹槽10中，图4为将该条件下的纤维过滤器在不同操作压力条件下，过滤不同污染物所引起的通量变化，其中(a)腐殖酸(b)海藻酸钠(c)牛血清蛋白(d)高岭土(e)混合溶液。结果表明随着压力的增大，纤维过滤器的过滤比通量减小率随之减小。这是由于操作压力影响了溶液的停留时间，操作压力越大，溶液在过滤器中停留时间越小，过滤介质受污染的程度越小。腐殖酸、海藻酸钠和混合溶液对纤维过滤器的过滤层产生污染，导致过滤通量的下降。

图5为将本发明的纤维过滤器经过不同加电反清洗条件下过滤混合溶液比通量的变化；如图所示，经电清洗后，所有过滤条件下，比通量由0.2左右提升至0.5以上。与电清洗60min相比，电清洗在20分钟时就能达到较好效果。第一次电清洗时，松懈状态下电清洗20min的过滤层的过滤比通量大于未懈力条件下进行电清洗的过滤层。松开电洗20min与松开反向电洗20min结果显示，电清洗时，清洗水的流动方向对清洗效果没有明显影响。松开反向电洗5min时，比通量恢复情况优于相同条件下清洗20min的实验组，进一步表明电清洗在5min之内即可达到较好的效果。表1为五种加电清洗条件下过滤混合溶液的浊度去除率，结果表明电清洗能有效实现通量恢复，并对浊度的去除率保持在96％以上。

表1不同加电反清洗条件下过滤混合溶液的浊度去除率

用不同拉力(20、25、30、40、50、60N)缠绕的纤维过滤器过滤相同体积的200mg/L6000目的超细高岭土悬浊液，向原水内施加0.07MPa恒定压力，用压力表监测过滤压差。过滤过程中持加原水，保持液面没过中心滤体9。测定不同拉力下纤维过滤器的平均孔径和纯水通量，并测量过滤前后悬浊液粒径。

图6为拉力对过滤层平均孔径与纯水通量大小影响的关系图，由图所示，随着碳纤维丝所受拉力的增加，过滤层平均孔径呈递减的趋势。当拉力由20N递增为50N时，过滤层的平均孔径由2.0μm左右逐渐降为1.1μm，其中当拉力由增加为25N时，过滤层平均孔径变化较大。当拉力由50N增加到60N时，平均孔径略微增加，这可能是拉力不稳定引起的误差。碳纤维单丝直径约7μm，当施加大于25N恒力缠绕碳纤维时，滤层孔径可达到1.6μm，恒力达到60N时，可形成平均孔径1μm的滤层，最小可拦截0.1μm的颗粒物，能有效拦截原水中的悬浮胶体和颗粒物。纯水通量的变化也进一步验证了拉力对孔径的影响，随着纤维所受恒力的增大和孔径的变小，纯水通量呈现出明显的减小趋势。由此可见，通过改变拉力大小，可改变纤维过滤器的过滤层的孔径，改变过滤精度，为实现分离不同粒径颗粒物的精准控制提供可能。

200mg/L 6000目的超细高岭土悬浊液浊度为255.9NTU，所有拉力条件下，过滤器对该悬浊液浊度去除率都能达到99.5％以上，滤后水浊度≤0.13NTU。

图7为不同拉力下本发明的纤维过滤器过滤前后高岭土悬浊液粒径分布图；如图所示，悬浊液中颗粒峰值粒径为420.0nm，当拉力从20N增加到60N时，滤后水峰值粒径由232.8nm降低为144.2nm，其变化趋势与图5中孔径变化趋势相符，进一步说明随着所施加恒力的增大，滤层孔径减小，对颗粒物的拦截效果增强。

实施例二

本实施例中，首先对碳纤维丝进行酸浸改性处理，方法如下：使用浸渍酸改性的方法对碳纤维丝进行改性，将碳纤维丝置于丙酮溶液中，于60℃水浴条件下冷凝回流48h，然后用超纯水冲洗数次，该过程可去除纤维表面的杂质和有机聚合物层。随后将除胶碳纤维浸泡在45wt.％的HNO₃溶液中，在60℃条件下加热2h，然后用超纯水冲洗至pH不发生变化。该改性方法可以提高碳纤维的亲水性，适用于含油废水的油水分离。

使用改性后的碳纤维丝11制备的碳纤维过滤器对含油废水进行过滤，含油废水主要为柴油、SDBS及水的混合物。过滤过程如下：将改性碳纤维丝11用大小为25N的恒力均匀的缠绕在中心滤体9的倒三角形凹槽10中，将纤维过滤器置于含油废水中，向原水施加0.07Mpa的恒定压力，用压力表监测并调整过滤压差。过滤过程中持续加入含油废水，保持液面没过中心滤体9。通过将含油废水由外部压入中心滤体9的中空腔内部，倒三角形凹槽10内缠绕的碳纤维丝11形成的过滤层对油废水中的油滴进行截留，滤液从中心滤体9的内部流出，从而达到油水分离的目的。过滤完成后，通过正己烷萃取法，测定过滤前后的液体中的含油量。

过滤过程中，通量有所下降，是由于截留的油滴附着在过滤层的表面及内部。对碳纤维丝进行电反洗再生，将过滤后的中心滤体9取出，置于电解液中，以尺寸稳定阳极作为阳极，中心滤体9上的碳纤维丝11作为阴极，施加电压以产生大量微气泡冲刷碳纤维丝11的表面的油滴进行反洗，同时通过反洗水从滤体内部向外清洗碳纤维丝11，达到更好的通量恢复效果。结果表明25N条件下，酸改性碳纤维对含油废水的去除率达到93.51％。经电反洗后，通量恢复至原来的59.32％。

实施例三

如图8所示，为纤维过滤装置的结构示意图，由外到内主要结构为外池体1、上盖板2、橡胶垫3、固定螺栓4、进气口5、进水口6、池体出水口7、支撑板8、中心滤体9、倒三角形凹槽10和碳纤维丝11。将预处理后的PAN碳纤维丝11用大小为10-200N(本实施例中采用25N)的恒力均匀的缠绕在中心滤体9的倒三角形凹槽10中，用软管将中心滤体9的出水口与池体出水口7相连，将中心滤体9架在支撑板8上，用固定螺栓4将上盖板2和橡胶垫3固定在外池体1上。进气口5与进水口6安装在上盖板2上，进气口5与氮气瓶相连接，进水口6与蠕动泵相连，使池体内形成封闭环境。经模型模拟，施加25N恒力后，碳纤维在凹槽呈外部松散、内部较为紧密的分布。

采用本实施例的纤维过滤装置过滤时首先通过进水口6将原水加满，通过调节氮气瓶的减压阀通过进气口5向外池体1内施加0.03～0.07MPa恒定压力，用压力表监测并调整过滤压差。

过滤过程中使用蠕动泵通过进水口6持续向外池体1中加原水，保持外池体1中液面没过中心滤体9。压力作用于原水表面，原水中大于过滤孔径的颗粒物被碳纤维丝11形成的过滤层截留，部分大分子有机物如腐殖酸等被碳纤维丝11表面吸附，其余无法截留的物质经过中心滤体9的出水口经池体出水口7排出。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳纤维过滤器，其特征在于：包括中心滤体和缠绕于所述中心滤体的碳纤维丝，所述中心滤体为中空状并设置有出水口，所述中心滤体的表面设置有至少一个凹槽，所述凹槽区域内设置有多个通孔，所述通孔和出水口均与所述中心滤体的中空状的内腔连通，所述碳纤维丝经恒力缠绕在所述凹槽内形成过滤层；所述凹槽为倒三角形凹槽，其夹角角度为10~160度 ，所述过滤层的孔隙自倒三角形凹槽的底部向外延伸的方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：所述碳纤维丝经10~200 N的恒力缠绕在所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：所述碳纤维丝为经酸浸改性后的改性碳纤维丝。

4.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：所述碳纤维丝为高温烧蚀改性后的改性碳纤维丝。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的碳纤维过滤器的再生方法，其特征在于：将所述碳纤维丝作为阴极置于电解液中，与惰性阳极连通之后中进行水电解，阴极产生大量微气泡，利用微气泡对碳纤维丝表面进行冲刷实现原位再生。

6.根据权利要求5所述的碳纤维过滤器的再生方法，其特征在于：卸掉所述碳纤维丝所受恒力后将碳纤维丝作为阴极置于电解液。

7.根据权利要求5所述的碳纤维过滤器的再生方法，其特征在于：电解电压为1.2-8V。

8.一种碳纤维过滤装置，其特征在于：包括权利要求1-4中任一项所述的碳纤维过滤器。

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