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)院的校級科研機構。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(guò)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、年齡結構合理、充滿(mǎn)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、年齡結構合理、充滿(mǎn)朝氣的學(xué)術(shù)梯隊。

二、污水處理填料簡(jiǎn)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(wú)論是好氧、兼氧還是厭氧過(guò)程中, 生物填料作為微生物的載體影響著(zhù)生物的生長(cháng)、繁殖和脫落的整個(gè)過(guò)程，它的性能直接影響和制約著(zhù)處理的效果。

一般選用填料時(shí)，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，機械強度大；⑥價(jià)格便宜等。其中,充氧性能是一個(gè)主要指標，直接關(guān)系著(zhù)填料類(lèi)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時(shí)間，提高運行效果及運行穩定性等。

我國目前使用的生物填料大致可以分為三大類(lèi)：第一類(lèi)為定型固定式填料，主要是蜂窩類(lèi)填料；第二類(lèi)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(lèi)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(chǎng)上常見(jiàn)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(kāi)發(fā)的側重點(diǎn)在填料的比表面積、填料結構與布水、布氣性能及生物膜更新等方面。

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，具有布水布氣均勻，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(lèi)，聚酯，有機玻璃，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硬性填料的易堵和軟性填料的纏結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(zhù)性能相對較差和造價(jià)偏高。

3.3組合填料

組合填料是在軟性填料的基礎上改進(jìn)的另一類(lèi)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(guò)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(chǎng)上常見(jiàn)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(kāi)發(fā)的側重點(diǎn)在填料的比表面積、填料結構與布水、布氣性能及生物膜更新等方面。在實(shí)際應用中,人們發(fā)現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)行適當的親水與生物親和改性,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(guò)填料表面處理和在原材料中引入親水基團兩種途徑實(shí)現。在填料表面結構改性時(shí), 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的高聚物單體；也有用紫外線(xiàn)輻照塑料填料, 使其表面氧化而形成極性基團。這些技術(shù)處理過(guò)的填料表面潤濕性能有很大的提高, 但也存在不少缺陷。應用溶液浸泡或者表面接枝處理過(guò)的填料在運行過(guò)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(xiàn)處理,往往難以均勻輻照填料的內外表面, 故使填料的內外表面的親水性產(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(shí)將海藻酸鈣、 淀粉等生物親和性物質(zhì)和含親水基團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(dòng)等性能；另一方面, 填料中的活性磁種周?chē)?相當于多個(gè)微型磁場(chǎng)反應器,能通過(guò)磁致物理化學(xué)生物效應等協(xié)同作用,大幅增加有機污染物的降解速率。其強化機理是:反應器中的有機污染物可在弱磁場(chǎng)(由磁微粒本身產(chǎn)生) 的作用下,通過(guò)磁力鍵、磁力、洛侖茲力和磁致膠體效應等作用經(jīng)磁聚、吸附、富集到填料表面;氧是順磁性物質(zhì),曝氣時(shí)會(huì )在磁場(chǎng)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度生物碳纖維及生物活性碳纖維兩類(lèi)，因其在宿主與生物反應上具有優(yōu)異的生物相容性、電、機械等綜合特性被人們所注目。高強生物碳纖維是在生物碳纖維基礎上，對其進(jìn)行表面處理，增強生物相容性。碳纖維表面能低，與水的潤濕性差，表面呈現出疏水性，經(jīng)表面修飾處理后，碳纖維表面含氧官能團增加，表面能增加，與水的潤濕性得到改善，接觸角變小，表面呈現出親水性。在污水處理過(guò)程中對污染物的吸附以及生物膜的負載都與生物碳纖維表面官能團的結構與組成密切相關(guān)，通過(guò)調整表面修飾方法和工藝參數，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(zhuān)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、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合而成。它具有豐富的微孔結構，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)擴散的路徑短、時(shí)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(shí)間長(cháng)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(huì )造成蓄熱和過(guò)熱現象，也不易發(fā)生事故，且節能和經(jīng)濟，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，設備投資小和效益高。

5.2生物纖維草(專(zhuān)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度生物碳纖維及生物活性碳纖維兩類(lèi)，因其在宿主與生物反應上具有優(yōu)異的生物相容性、電、機械等綜合特性被人們所矚目。高強生物碳纖維是在高強度生物碳纖維基礎上，對其進(jìn)行表面處理，增強生物相容性。碳纖維表面能低，與水的潤濕性差，表面呈現出疏水性，經(jīng)表面修飾處理后，碳纖維表面含氧官能團增加，表面能增加，與水的潤濕性得到改善，接觸角變小，表面呈現出親水性。在污水處理過(guò)程中對污染物的吸附以及生物膜的負載都與生物碳纖維表面官能團的結構與組成密切相關(guān)，通過(guò)調整表面修飾方法和工藝參數，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(yáng)光照射后，吸引微生物菌群并在其表面形成粘著(zhù)性活性生物膜。這些微生物以有機污染物為能量來(lái)源，通過(guò)自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。

5.3生物碳纖維雙層平板膜（專(zhuān)利號：201110425821.6）

生物碳纖維雙層平板膜組件中，采用的生態(tài)碳纖維復合材料通過(guò)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，其能夠改善現有膜污染的現狀，同時(shí)在芯層外側設置丙綸纖維網(wǎng)眼布以起到增強作用，使得該生態(tài)碳纖維復合材料具有較高的強度，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(guò)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(guò)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，這些微生物以有機污染物為能量來(lái)源，通過(guò)自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。

生物碳纖維雙層平板膜組件，將過(guò)濾膜與生物活性炭纖維復合材料合理地結合在一起，對污水先經(jīng)過(guò)濾膜過(guò)濾，再經(jīng)生態(tài)碳纖維復合材料進(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、污水處理常規填料與本中心研發(fā)填料性能對比