碳纖維材料及其性能

一、北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)中心

環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)中心是北京化工大學(xué)跨學(xué)科、跨學(xué)院的校級科研機(jī)構(gòu)。成立于2001年4月19日，依托單位有化學(xué)工程學(xué)院、材料學(xué)院、理學(xué)院及環(huán)境工程系等，通過最近幾年的努力，環(huán)境中心（環(huán)境系）已形成了一支學(xué)歷高、年齡結(jié)構(gòu)合理、充滿朝氣的學(xué)術(shù)梯隊。環(huán)境中心有工程院院士2人，教授（研究員）20人，博士生導(dǎo)師10人，副教授（高工）30人，講師（工程師）45人，博士后4人。其中具有博士學(xué)位的教師25人，已經(jīng)形成一支學(xué)歷高、年齡結(jié)構(gòu)合理、充滿朝氣的學(xué)術(shù)梯隊。

二、污水處理填料簡介

工業(yè)廢水、生活污水處理中的生物接觸氧化法、上流式曝氣生物濾池及膜生物反應(yīng)器技術(shù)是比較高效的水處理工藝, 而填料是這些工藝的核心部分,無論是好氧、兼氧還是厭氧過程中, 生物填料作為微生物的載體影響著生物的生長、繁殖和脫落的整個過程，它的性能直接影響和制約著處理的效果。

一般選用填料時，要綜合考慮以下幾點(diǎn)：①微生物掛膜快，老化生物膜易脫落；②穩(wěn)定性，要求填料能抗酸、抗堿、耐氧化，不易生物降解,不易老化等；③充氧效率高；④安裝維修方便；⑤質(zhì)輕，機(jī)械強(qiáng)度大；⑥價格便宜等。其中,充氧性能是一個主要指標(biāo)，直接關(guān)系著填料類型選擇、處理效果、基建投資和能源消耗等，選擇合適的填料，能夠縮短工藝的反應(yīng)時間，提高運(yùn)行效果及運(yùn)行穩(wěn)定性等。

我國目前使用的生物填料大致可以分為三大類：第一類為定型固定式填料，主要是蜂窩類填料；第二類為懸掛式填料，如軟性填料、半軟性填料、彈性立體填料、組合型填料等；第三類為堆積式、懸浮式填料即分散式填料，如鮑爾環(huán)、階環(huán)、空心球、懸浮粒子等。對于性能更好的親水填料及生物親和(活性)填料，目前市場上常見的生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等為原材料而制成，填料開發(fā)的側(cè)重點(diǎn)在填料的比表面積、填料結(jié)構(gòu)與布水、布?xì)庑阅芗吧�物膜更新等方面�?/P>

三、污水處理常用填料

3.1軟性組合填料

軟性組合填料是由軟性纖維和中間繩所組成的填料，具有布水布?xì)饩鶆�，軟性填料比表面積大和掛膜快等優(yōu)點(diǎn) 按照高分子組成的不同，軟性填料的材質(zhì)可分為聚烯烴類，聚酯，有機(jī)玻璃，合成塑料和維綸纖維等。

3.2半軟性填料

半軟性填料主要是為了彌補(bǔ)硬性填料的易堵和軟性填料的纏結(jié)和斷絲兩方面不足而提出的。其不足在于比表面積相對較小,表面光滑,微生物附著性能相對較差和造價偏高。

3.3組合填料

組合填料是在軟性填料的基礎(chǔ)上改進(jìn)的另一類填料,由纖維束、塑料片、套管與中心繩組成，集軟性和半軟性填料之優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的弊端，是污水在生化處理過程中較為理想的產(chǎn)品。

3.4生物填料

生物填料是生物膜水處理技術(shù)的核心之一, 目前市場上常見的生物填料主要以聚丙烯、 聚乙烯、 聚氯乙烯或聚酯等為原材料而制成,填料開發(fā)的側(cè)重點(diǎn)在填料的比表面積、填料結(jié)構(gòu)與布水、布?xì)庑阅芗吧�物膜更新等方面。在�?shí)際應(yīng)用中,人們發(fā)現(xiàn)這些填料在掛膜速度、掛膜量及膜與填料的緊密度方面存在不足。如對材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠H水與生物親和改性,可望大大提高填料的傳質(zhì)、 掛膜和水處理性能。改性懸浮材料聚丙烯填料即為提高表面粗糙性，提高親水性，表面張力，掛膜速度及氨氮去除率。

3.5改性親水填料

改性親水填料主要是通過填料表面處理和在原材料中引入親水基團(tuán)兩種途徑實(shí)現(xiàn)。在填料表面結(jié)構(gòu)改性時, 有研究者將填料浸入含氧酸等化學(xué)腐蝕液中, 從而除去填料表面的弱界面層,糙化表面；有的研究者在填料表面涂抹親水材料,表面接枝帶有親水基團(tuán)的高聚物單體；也有用紫外線輻照塑料填料, 使其表面氧化而形成極性基團(tuán)。這些技術(shù)處理過的填料表面潤濕性能有很大的提高, 但也存在不少缺陷。應(yīng)用溶液浸泡或者表面接枝處理過的填料在運(yùn)行過程中由于水流的作用很容易發(fā)生表面消磨和脫落,使用紫外線處理,往往難以均勻輻照填料的內(nèi)外表面, 故使填料的內(nèi)外表面的親水性產(chǎn)生差異,也影響其使用效果。

3.6活性磁種生物填料

活性磁種生物填料即同時將海藻酸鈣、 淀粉等生物親和性物質(zhì)和含親水基團(tuán)的聚乙烯醇等以及經(jīng)修飾的磁粉、活性炭引入普通的高分子材料生物填料中, 適當(dāng)充磁后成為生物親和親水活磁種填料。這種填料一方面由于其生物親和性和親水性得到改善,將大大提高其表面潤濕、傳質(zhì)和掛膜啟動等性能；另一方面, 填料中的活性磁種周圍,相當(dāng)于多個微型磁場反應(yīng)器,能通過磁致物理化學(xué)生物效應(yīng)等協(xié)同作用,大幅增加有機(jī)污染物的降解速率。其強(qiáng)化機(jī)理是:反應(yīng)器中的有機(jī)污染物可在弱磁場(由磁微粒本身產(chǎn)生) 的作用下,通過磁力鍵、磁力、洛侖茲力和磁致膠體效應(yīng)等作用經(jīng)磁聚、吸附、富集到填料表面;氧是順磁性物質(zhì),曝氣時會在磁場作用下被吸附到生物親和填料附近,增大填料表面的氧濃度。

四、生物碳纖維材料特點(diǎn)

生物碳纖維是具有良好生物相容性的纖維狀的碳材料，由其用途可進(jìn)一步劃分為生物醫(yī)學(xué)材料與生物環(huán)境材料，在生物環(huán)境材料領(lǐng)域，生物碳纖維分為高強(qiáng)度生物碳纖維及生物活性碳纖維兩類，因其在宿主與生物反應(yīng)上具有優(yōu)異的生物相容性、電、機(jī)械等綜合特性被人們所注目。高強(qiáng)生物碳纖維是在生物碳纖維基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行表面處理，增強(qiáng)生物相容性。碳纖維表面能低，與水的潤濕性差，表面呈現(xiàn)出疏水性，經(jīng)表面修飾處理后，碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加，表面能增加，與水的潤濕性得到改善，接觸角變小，表面呈現(xiàn)出親水性。在污水處理過程中對污染物的吸附以及生物膜的負(fù)載都與生物碳纖維表面官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)與組成密切相關(guān)，通過調(diào)整表面修飾方法和工藝參數(shù)，可以制備出潤濕性好和微生物相容性高的生物碳纖維。

五、環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)中心自主研發(fā)碳纖維填料

5.1生態(tài)碳纖維材料(專利號：201110425425.3)

生態(tài)碳纖維材料是一種比表面積大、吸附和脫附性能強(qiáng)、與生物有良好兼容性的新型填料，由腈綸、丙綸和表面修飾后的活性碳纖維復(fù)合而成。它具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布范圍廣；比表面積很大，一般都在1000m2/g以上，具有較大的吸附容量；其微孔直接分布于纖維的表面，因而吸附質(zhì)擴(kuò)散的路徑短、時間短，其吸附和再生的速率快，可在較溫和條件下再生。針對其吸附容量大、吸附速率快、脫附速度快、灰分少、處理量大且使用時間長等優(yōu)點(diǎn)，本單位將其用于水處理領(lǐng)域，其操作安全、由于體積密度小和吸脫層薄，不會造成蓄熱和過熱現(xiàn)象，也不易發(fā)生事故，且節(jié)能和經(jīng)濟(jì)，可用于大型上水、凈水處理，不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊，占地面積小，設(shè)備投資小和效益高。

5.2生物纖維草(專利號：201110425930.8)

生物碳纖維是具有良好生物相容性的纖維狀的碳材料，由其用途可進(jìn)一步劃分為生物醫(yī)學(xué)材料與生物環(huán)境材料，在生物環(huán)境材料領(lǐng)域，生物碳纖維分為高強(qiáng)度生物碳纖維及生物活性碳纖維兩類，因其在宿主與生物反應(yīng)上具有優(yōu)異的生物相容性、電、機(jī)械等綜合特性被人們所矚目。高強(qiáng)生物碳纖維是在高強(qiáng)度生物碳纖維基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行表面處理，增強(qiáng)生物相容性。碳纖維表面能低，與水的潤濕性差，表面呈現(xiàn)出疏水性，經(jīng)表面修飾處理后，碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加，表面能增加，與水的潤濕性得到改善，接觸角變小，表面呈現(xiàn)出親水性。在污水處理過程中對污染物的吸附以及生物膜的負(fù)載都與生物碳纖維表面官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)與組成密切相關(guān)，通過調(diào)整表面修飾方法和工藝參數(shù)，制備出潤濕性好和微生物相容性高的生物碳纖維。

本中心聯(lián)合國家碳纖維工程中心對生物碳纖維進(jìn)行二次表面活性處理，模擬天然水草形態(tài)加工而成并編織成環(huán)狀生物草，使其具有極高的吸附性和生物親和性，經(jīng)太陽光照射后，吸引微生物菌群并在其表面形成粘著性活性生物膜。這些微生物以有機(jī)污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污染物。

5.3生物碳纖維雙層平板膜（專利號：201110425821.6）

生物碳纖維雙層平板膜組件中，采用的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過將比表面積大于1300m2/g 的生物活性碳纖維作為芯層，使這種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料在具有比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高，其能夠改善現(xiàn)有膜污染的現(xiàn)狀，同時在芯層外側(cè)設(shè)置丙綸纖維網(wǎng)眼布以起到增強(qiáng)作用，使得該生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度，進(jìn)而使得生物碳纖維平板膜組件堅固耐用。

生物碳纖維雙層平板膜組件中通過采用改良的生物活性碳纖維，使該生物活性碳纖維以及生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高。具有優(yōu)異生物相容性，不僅通過自身的吸附作用凈化水體，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，這些微生物以有機(jī)污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污染物。

生物碳纖維雙層平板膜組件，將過濾膜與生物活性炭纖維復(fù)合材料合理地結(jié)合在一起，對污水先經(jīng)過濾膜過濾，再經(jīng)生態(tài)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步吸附凈化，提高了清水的純度和潔凈度并提高了平板膜組件的耐污性和膜通量及使用壽命。

六、污水處理常規(guī)填料與本中心研發(fā)填料性能對比