[发明专利]一种环保碳纤维丝表面改性方法

说明书

技术领域

  本发明涉及无机非金属材料科学和环境科学，特别涉及一种环保碳纤维丝表面改性方法。 

背景技术

河湖富营养化控制技术主要采用物理方法（如引江济湖、清淤、物理沉淀、吸附、过滤等）、化学方法（如絮凝剂、除藻剂、消毒剂等）、生物方法（如生物剂、生物膜法、活性污泥法等）、生态修复法（如氧化塘、浮岛、湿地、生物操纵控制、着生藻类控制等）。化学方法容易产生毒副作用，单一的物理、生物治理方法不能从根本上解决问题，还有可能造成二次污染和生态系统的破坏。 

因此采用符合水体生态系统规律的物理、生物、生态修复等多种技术的复合技术是河湖治理的主要方向，特别是借助载体材料以吸附、微生物膜修复改善水环境条件从而促进着生藻类和水生植物自我恢复的复合技术正在成为国内外研究控制富营养化水体原位修复的热门领域。 

  目前水处理领域人工介质材料主要是自然填料和人工填料。自然填料有活性碳粉、陶粒、高岭土、卵石、沸石、火山灰等，人工填料主要采用聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子聚合物材料制成。自然填料容易堵塞和发生化学反应，形成二次污染。人工填料大多生物亲和性差、强度和韧性不足、不耐腐蚀、不耐高温、吸附性能较低，不能长期使用。 

   碳纤维是一种比表面积巨大，可使大量微生物快速黏附，具有高强度与高弹性模量，对微生物有高效富集和激活作用，而且在水中耐腐蚀，寿命长，不会对环境造成二次污染。每克碳纤维丝可以为水中微生物和藻类等的生长、繁殖提供约800～3000平方米的生物附着表面积，是实现高效微生物群落的基础条件。 

发明内容

本发明针对目前水处理技术和载体材料存在的不足，提供了一种环保碳纤维丝表面改性方法。 

  

一种环保碳纤维丝表面改性方法，其特征在于：步骤如下；

步骤1：取碳纤维原丝，用丙酮溶液浸泡1~4小时后，取出晾干；再用硝酸浸泡3~6小时后取出烘干，得到初步改性的碳纤维丝；

步骤2 ：将初步改性的碳纤维丝在活化气体的氛围下活化，得到改性的碳纤维丝。

作为其优选项： 

1）所述的碳纤维原丝为PAN基碳纤维丝；

2）所述丙酮溶液中丙酮的质量分数≥95%；

3）所述硝酸的质量分数为45%~85%；

4）烘干的温度为100℃~350℃。 

上述步骤2的具体方法有如下两种： 

第一种：将初步改性的碳纤维丝放入高温高压装置，以水蒸汽作为活化气体，调节压力至126Mpa并保持3~6小时，取出于120℃~150℃烘干，得到改性的碳纤维丝。

第二种：将初步改性的碳纤维丝放入气相氧化装置，通入CO₂或N₂，控制CO₂或N₂的流量为300~700mL/min并保持，升温至800℃~950℃后，恒温2~4小时，然后停止加热，自然冷却至室温取出，得到改性的碳纤维丝。 

  

经本发明改性处理得到的生物活性碳纤维丝，和普通的碳纤维丝相比，其比表面积更大且表面含有微生物亲和性的化学基团，能更好地吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，并为各类微生物的生长、繁殖提供良好的着生、附着或穴居条件，形成具有很强净化功能的动态 “生物膜”和活性污泥团，挂膜量和挂膜速率大幅度提高。

普通碳纤维丝的比表面积为800~1500 m²/g，经本发明方法得到的碳纤维丝的比表面积1500～2500m²/g、孔径分布为0.8nm~1.8nm，对微生物和悬浮物的吸附能力可以达到50g/g以上，均优于普通碳纤维丝。 

经水蒸气活化处理得到的改性碳纤维丝，其含氧官能团增加，氧含量可以达到15%~25%，含水率达到10%~20%。 

将改性的碳纤维直接应用于河湖水质原位处理时污水处理的效果好，能够将湖泊受污染的劣V类水体经过4天处理达到IV类水质，2个月可以达到III类水质，5个月达到II类水质。能够促进本土的微生物、高产油高蛋白藻类和水生植物的生长，可快速实现水生态系统的自我修复、培育微藻生物质、固定CO₂。而且成本低，无能耗，无二次污染，不需要清淤，管理简单，无运行费用，可以弥补现有方法的不足。 

经本发明改性处理得到的生物活性碳纤维丝，表面含氧官能团增加，生物亲和性增强，挂膜量和挂膜速率大幅度提高，是优良的生物载体，不仅可以直接净化河湖水质，还可以应用于工业废水处理和原水净化。