一種優良高效碳纖維生物膜載體改性方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及污水處理與材料技術領域，尤其涉及一種碳纖維作為生物膜載體材料 的改性方法。
【背景技術】
[0002] 生物膜是復雜的微生物層嵌入到胞外聚合物基質，使微生物群落相交聯而形成的 一種微環境，其附著的固體介質稱為填料或載體。生物膜內的微生物將水中的有機物質分 解轉換成能量，用于自身生長和繁殖，從而使水中有機物降解，達到水處理的目的。生物膜 的生長和繁殖是以生物膜載體為場所的，載體的性能直接影響生物膜的形成，從而影響生 物膜法處理污水的效果，因此，生物膜載體是生物膜工藝的重要核心部分。
[0003] 鐵是微生物體內多種酶的組分，是微生物氧化還原反應電子傳遞體系中一種必不 可少的電子載體，向微生物反應器內添加鐵可以強化污水處理效果。Fe對微生物有一系列 積極影響，例如：鐵可以增加生物膜中胞外聚合物的含量，胞外聚合物的凝聚作用可提高填 料的掛膜速度及填料上附著的生物量，使微生物在載體上有較高的固著能力，可以進一步 提高處理效率；經過鐵的化合物還具有一定的弱磁性，弱磁性可以提高微生物酶活性，從而 促進了有機物的降解。
[0004] CF具有良好的生物相容性、柔韌性、耐微生物分解及化學腐蝕、再生能力強等優異 性能，而且一般碳纖維所具有的高強度可以完全滿足生物膜載體材料的要求，是一種比較 理想的生物膜載體材料，現已應用于實際水處理中。但碳纖維表面光滑，且表面親水性差， 影響微生物附著、降低傳質效率，因此，需對碳纖維進行表面處理，改善其作為生物膜載體 材料的性能。
【發明內容】
[0005] 本發明公開了一種優良高效碳纖維生物膜載體改性方法。目的在于改善碳纖維作 為生物膜載體材料的水處理性能，以克服目前存在的碳纖維表面親水性差，表面過于光滑 的缺點。
[0006] 鑒于鐵對微生物的有益影響，本發明采用鐵對碳纖維表面進行改性，經過大量實 驗研宄證明，采用有機鐵改性劑可以有效改善碳纖維的表面粗糙程度及親水性，提高生物 膜活性，改善水處理性能。
[0007] 本發明的基礎原料為碳纖維，對其進行表面改性，主要包括以下方面：對碳纖維進 行酸氧化預處理，以有機鐵為改性劑，采用液相浸漬法，制備有機鐵改性碳纖維生物膜載體 材料。
[0008] 本發明的技術方案如下：
[0009] 步驟一：將碳纖維置于0. 01-3mol/L硝酸（HNO3)溶液內，進行酸氧化，浸漬時間為 2-25小時（h)，用以增加碳纖維表面官能團及表面活性，為附著有機鐵做準備；
[0010] 步驟二：將酸氧化后的碳纖維用去離子水沖洗至中性，烘干備用；
[0011] 步驟三：配置0. 01-1. 5mol/L的碳纖維有機鐵改性劑，將碳纖維束置于有機鐵改 性劑中2-25h，采用液相浸漬法使碳纖維與草酸亞鐵充分接觸，溫度范圍是10-120°C ;
[0012] 步驟四：將有機鐵改性碳纖維束用去離子水沖洗至沖洗液無顏色，然后烘干，有機 鐵已經附著在碳纖維表面，制得有機鐵改性碳纖維生物膜載體。
[0013] 進一步地，上述生物膜載體材料碳纖維表面的上漿劑已被脫除或表面未上漿。
[0014] 進一步地，上述有機鐵包括：草酸亞鐵、檸檬酸鐵、醋酸亞鐵、乙醇鐵等有機鐵化合 物，通過液相浸漬，可以與碳纖維表面官能團發生反應，使鐵元素以化合物的形式負載于碳 纖維表面。
[0015] 進一步地，上述碳纖維有機鐵改性采用液相浸漬法，可以輔以超聲震蕩，頻率為 20-90HZ之間，超聲震蕩使碳纖維絲與有機鐵溶液充分接觸，并抑制有機鐵的聚沉。
[0016] 本發明的有益效果是：①本發明制備的有機鐵改性碳纖維仍然保持碳纖維原有 的優良的生物相容性、柔韌性、高強度、耐腐蝕、耐疲勞等優良性能，且制備方法簡單易行； ②本發明制備的有機鐵改性碳纖維生物膜載體，表面粗糙程度及親水性有所提高，促進微 生物的附著及生物膜的生長，提高傳質效率，更有利于微生物掛膜，縮短微生物掛膜時間， 提高微生物負載量；③本發明制備的有機鐵改性碳纖維生物膜載體，表面鐵元素促使生物 膜系統具有更豐富的微生物種類、更高的微生物活性；④本發明制備的有機鐵改性碳纖維 作為生物膜載體，生物膜系統COD、氨氮、總磷等去除率顯著提高，出水水質均能達到國標 GB18918-2002 -級A排放標準，且出水水質穩定性；⑤本發明制備的有機鐵改性碳纖維作 為生物膜載體，生物膜系統水處理所需時間減少，具有高效性，具有更高的重復使用率，具 有較好的經濟效益。 具體實施方案
[0017] 以下結合有機鐵改性碳纖維生物膜載體制備過程對本發明進行進一步解釋。
[0018] 實施例1
[0019] 步驟一：將碳纖維絲纏繞成束，置于含有0. lmol/L !^03溶液的大燒杯內，進行酸 氧化，浸漬時間為12h，用以增加碳纖維表面官能團及表面活性，為附著有機鐵做準備；
[0020] 步驟二：將酸氧化后的碳纖維用去離子水沖洗至中性，烘干備用；
[0021 ] 步驟三：配置0. lmol/L草酸亞鐵溶液碳纖維有機鐵改性劑，室溫條件下將碳纖維 束置于有機鐵改性劑中24h，采用液相浸漬法使碳纖維與草酸亞鐵充分接觸；
[0022] 步驟四：將草酸亞鐵改性碳纖維束用去離子水沖洗至沖洗液無顏色，烘干，草酸亞 鐵已經附著在碳纖維表面，制得草酸亞鐵改性碳纖維生物膜載體。
[0023] 所制得的草酸亞鐵碳纖維表面靜態接觸角由原來的107°降為74°，碳纖維表面 親水性得到顯著改善。對草酸亞鐵改性碳纖維生物膜載體進行序批式好氧掛膜實驗，以未 改性碳纖維生物膜載體為對照試驗，掛膜進水COD在900mol/L左右。掛膜啟動一周左右后， 系統出水COD值達到58mol/L，去除率達到93 %，認為生物膜進入穩定期，測得系統最佳水 力停留時間為12-14h。
[0024] 草酸亞鐵改性碳纖維載體生物膜系統穩定運行2個月，監測系統的進、出水C0D、 氨氮、總磷，并計算C0D、氨氮、總磷的去除率。對所得數據求平均值，相關數據見表1。
[0025] 表1.生物膜系統水處理情況
【主權項】
1. 一種優良高效碳纖維生物膜載體改性方法，基礎原料為碳纖維，對碳纖維表面改性， 其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：將碳纖維置于0. 01-2mol/L HNO3溶液內，進行酸氧化，浸漬時間為2-25小時 (h)，用以增加碳纖維表面官能團及表面活性，為附著有機鐵做準備； 步驟二：將酸氧化后的碳纖維用去離子水沖洗至中性，烘干備用； 步驟三：配置濃度為0. 01-1. 5mol/L的碳纖維有機鐵改性劑，將碳纖維置于有機鐵改 性劑中2-25h，采用液相浸漬法，使碳纖維絲與有機鐵充分接觸，溫度范圍是10-120°C ; 步驟四：將有機鐵改性碳纖維束用去離子水沖洗至沖洗液無顏色，烘干，有機鐵已經附 著在碳纖維表面，制得有機鐵改性碳纖維生物膜載體。
2. 根據權利要求1所述的碳纖維，其特征在于，碳纖維表面上膠已使用常規方法脫除 或表面未上膠。
3. 根據權利要求1所述有機鐵為草酸亞鐵、檸檬酸鐵、醋酸亞鐵、乙醇鐵等有機鐵化合 物，其特征在于，通過液相浸漬，可以與碳纖維表面官能團發生反應，使鐵元素以化合物的 形式負載于碳纖維表面。
4. 根據權利要求1所述，碳纖維有機鐵改性采用液相浸漬法，其特征在于，可以輔以超 聲震蕩，頻率為20-90HZ之間，超聲震蕩使碳纖維絲與有機鐵溶液充分接觸，并抑制有機鐵 的聚沉。
【專利摘要】本發明公開了一種優良高效碳纖維生物膜載體改性方法。目的在于改善碳纖維作為生物膜載體材料的水處理性能。本發明的基礎原料為碳纖維，主要改性方法包括以下方面：首先對碳纖維進行酸氧化處理，以保證碳纖維表面有足夠的官能團為載鐵做準備；然后以有機鐵溶液為改性劑，采用液相浸漬法，對碳纖維進行表面改性，得到表面含鐵元素的有機鐵改性碳纖維生物膜載體材料。本發明制備方法簡單易行，制得的有機鐵改性碳纖維可保持碳纖維原有的優異性能，表面粗糙程度及親水性顯著提高，掛膜周期短，微生物活性提高，水處理所需時間少，COD、氨氮、總磷去除率明顯提高，出水水質穩定性好，具有較高重復使用率。
【IPC分類】C02F3-00, C02F3-10
【公開號】CN104803471
【申請號】CN201510176696
【發明人】劉杰, 姜祁, 梁節英
【申請人】北京化工大學常州先進材料研究院
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月14日