[发明专利]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

说明书

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；