[發明專利]一種生物活性碳纖維、包括其的復合生態膜填料組件及其制備方法

有效

• 申請號: 201510033175.7
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104652131B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 王麗妹;林絢麗;霍石磊;白培峰
• 申請（專利權）人: 北京京陽環保工程有限公司
• 主分類號: D06M15/55
• 分類號: D06M15/55;D06M10/02;D06M10/06;D06M10/08;B32B27/12;B32B27/02;B32B27/32;B32B3/12;C02F3/00
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技術領域

本發明涉及一種生物活性碳纖維、包括其的復合生態膜填料組件及其制備方法。

背景技術

生物膜法是目前廣泛應用的一種污水處理技術，而載體填料是該技術的核心之一，它的材質和表面性能將直接影響微生物的附著、生長，進而影響污水的處理效果。根據填料的化學組成與來源可以分為無機填料、天然高分子填料、合成高分子填料、復合載體填料。其中，無機填料主要有焦炭、石英砂、活性炭等，優點是無機載體穩定性好、機械強度高、對微生物無毒性、不易被微生物分解、耐酸堿、成本低、壽命長等，缺點是水流阻力大，容易產生堵塞；天然高分子填料特點是無毒性，傳質性能好，但其強度較低，在厭氧條件下易被微生物分解，使用壽命較短。合成有機高分子填料對微生物的腐蝕也有較強的抵抗力，其凝膠載體還具有強度較大的優點。復合載體填料是以有機材料和無機材料復合組成的新載體材料，特點是容易分離。

目前市面上常用的生物膜填料為塑料合成的軟性填料或彈性填料，這些填料表面比較光滑，抗水流沖擊差，不適合微生物短期內掛膜成功。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，造成填料脫落或造成反應裝置堵塞等現象。

碳纖維作為生物膜載體填料具有良好的生物相容性，比表面積大，物理、化學性質穩定，無毒，耐環境性優良等諸多優點。1997年日本學者小島昭進行了PAN基碳纖維和好氧微生物關系的相關研究，結果發現碳纖維具有聚集和固定微生物的能力。Sato等人研究了用于天然水處理的PAN基活性碳纖維與微生物之間的關系，也發現了大量微生物吸附在碳纖維上。

目前碳纖維作為微生物的載體已開始應用于水污染治理方面。如：專利申請號為“200910083778.2”，名稱為“炭纖維生物膜載體在廢水處理中的應用”的專利。在該專利中公開了一種利用纖維本體經過預氧化處理、低溫碳化處理、高溫碳化處理的過程，最終形成了一種表面接觸角50～180°、平衡含水率范圍1.0％～5.9％的炭纖維作為生物膜載體。該生物膜載體可以快速固著硝化細菌、反硝化細菌、硫酸還原菌及厭氧產甲烷菌。特別適用于高COD、低碳硫比以及難降解物質的工業廢水的生物處理。

專利申請號為“201110425930.8”，名稱為“生物活性碳纖維、包括其的生態碳纖維復合材料及其制備方法”的專利。在該專利中公開了一種利用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維以3～5℃/分鐘的速率逐步升溫至200～300℃后，進行50～150分鐘的預氧化處理，形成預氧絲，將預氧絲在氮氣氛圍下，以10～30℃/分鐘的速率逐漸升溫至700～800℃后，以水蒸氣作為活化劑，進行30～90分鐘的碳化及活化處理，形成生物活性碳纖維，這種生物活性碳纖維比表面積大于1000m²/g，吸附性較高，將該材料進行污水處理，掛膜后COD與氨氮去除率有顯著提高。

在上述兩個專利中所提供的生物活性碳纖維制備方法非常復雜，工序繁瑣，成本高，能耗高，而且用以上方法制備的活性碳纖維的比表面積依然不夠大，還需進一步改性提高，同時這種方法制備的碳纖維強度低，抗水流沖擊能力較差。

發明內容

鑒于現有技術中存在的上述問題，本發明的主要目的在于解決現有技術的缺陷，本發明提供一種生物活性碳纖維、包括其的復合生態膜填料組件及其制備方法。

本發明提供了一種生物活性碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

S1：將比表面積＞1000m²/g的成品碳纖維放入質量濃度為15％的酒精溶液中浸泡3～8分鐘后，進行第一次脫漿處理，清洗后再放入質量濃度為10％的丙酮溶液中浸泡5～10分鐘，進行第二次脫漿處理，清洗、晾干；

S2：將質量濃度為2％～12％的醋酸銨溶液與質量濃度5％～10％的碳酸氫銨溶液以體積比為2∶5的比例進行混合，得到碳酸氫銨與醋酸銨的混合溶液；

S3：將S1中第二次脫漿處理后的碳纖維作為陽極，同時將石墨、銅板作為陰極，且將S2中配置的碳酸氫銨與醋酸銨的混合溶液為電解液，對碳纖維進行連續陽極化處理，電解液的溫度設定為12～40℃，電流密度設定為5～20mA·cm^-2，電解時間設定為30～180S，進行電化學改性處理，電解完畢后，再將碳纖維清洗、干燥；

S4：將電化學改性處理后的碳纖維放置于濃度為20％以下的氨水溶液中，采用頻率為40～120KHZ的超聲波下處理20～40分鐘，進行表面活性處理；