[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体而言涉及一种生物活性碳纤维、包括其的生态碳纤维复合材料、及其制备方法。

背景技术

活性碳纤维(ACF)是在20世纪70年代开发并逐渐工业化的新型高效吸附材料，是继粉状活性碳和粒状活性碳之后的第三代产品，是碳纤维及可炭化纤维经过物理活化、化学活化或两者兼有的活化反应所制备的具有丰富和发达空隙结构功能型碳纤维，它具有独特的化学、物理结构，特别是其具有优异的吸附性和生物相容性，具有成型性，耐酸耐碱性、导电性和化学稳定性好等特点，其不仅比表面大、孔径分布适中及吸脱速度快，而且具有不同的形态。

活性碳纤维主要用于环境净化，多作为优良的吸附剂应用于空气净化，可吸附煤气中的硫化氢和除掉汗臭，烟臭等令人感到不快的环境污染；活性碳纤维用于水净化，可用作净水器，放射性污染及炼油厂废水的净化。目前针对碳纤维作为微生物载体的研究刚刚开始，机理性研究亟待深入。

在粉状、粒状活性碳材料的基础上，活性碳纤维具有均匀的孔径分布和更高的比表面积，成为理想的吸附材料，因此，也被称为“新型活性碳、纤维状活性碳”，广泛应用于环保、储氢、催化剂载体以及电化学领域。

近年来，活性碳纤维生产技术发展迅速，在作为微生物的载体用于水污染治理、生化反应、食品发酵等方面也具有相关的应用，例如：专利申请号为01123491.1，名称为“生物活性碳纤维及其制备方法”的专利。

在上述“生物活性碳纤维及其制备方法”的专利中公开了一种比表面积≥800m²/g的碳纤维，它不含金属化合物，平衡含水率≥20％、抗张强度≥150MPa、本体含氧量为2.8％～25％。该生物活性碳纤维是将原料经过不熔化处理、炭化处理、活化处理制得。不熔化处理的升温速率为0.5-2℃/分钟，得到平衡含水率为4.2-10.5％、氧含量为3.1-16.2％(重量)的不熔化纤维或制品；炭化处理在300-1100℃温度条件下，炭化升温速率为80-160℃/分钟；活化处理在800-950℃温度条件下，活化时间为5-60分钟；活化促进剂为脂肪酸，浸渍时用超声波处理。该生物活性碳纤维具有优异的生物相容性能，可作微生物固着化载体材料。

在上述专利中所提供的生物活性碳纤维制备方法复杂，而且通过这种方法所制备的生物活性碳纤维的表面能依然不高，还需要进一步改进；同时，这种方法所制备的生物活性碳纤维强度低，抗冲击能力较差，并不适用于大量污水的处理。

基于目前生物活性碳纤维的一些不足，还没有将其作为生物膜载体在水处理中应用的报导。为了将生物活性碳纤维的性能优势更有效地应用于水处理过程中，进一步研究改良生物活性碳纤维的性能势在必行。

发明内容

本发明旨在提供一种生态碳纤维、包括其的复合材料、及其制备方法以克服现有技术中的不足。

为此，在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：将聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维以3～5℃/分钟的速率逐渐升温至200～300℃后，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝；将预氧丝在氮气气氛下，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分钟的炭化及活化处理，形成生物活性碳纤维。

进一步地，上述生物活性碳纤维的制备方法还包括表面活性处理的步骤，表面活性处理的步骤包括：将生物活性碳纤维在浓度为30％以下的过氧化氢溶液和浓度为25～28％的氨水溶液按照体积比1～2∶1混合形成的混合溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行表面活性处理。

进一步地，上述生物活性碳纤维的制备方法还包括表面活性处理的步骤，表面活性处理的步骤包括：将生物活性碳纤维在浓度为30％以下的过氧化氢溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第一次表面活性处理；将完成第一次表面活性处理的生物活性碳纤维在浓度为25～28％的氨水溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第二次表面活性处理。

在本发明的另一个方面，还提供了一种生物活性碳纤维，其由上述的制备方法制备而成。

在本发明的另一个方面，还提供了一种生态碳纤维复合材料，包括：芯层，由上述生物活性碳纤维构成，该生物活性碳纤维的比表面积大于1000m²/g；外层，由丙纶纤维网眼布构成，外层包裹在芯层的外周。

进一步地，上述生态碳纤维复合材料还包括均匀地设置在外层上的环状毛圈部，该环状毛圈部由丙纶纤维和涤纶纤维复合而成。