申请日2014.11.27
公开(公告)日2015.03.25
IPC分类号B01J20/20; B01J20/30; C02F3/00; C02F3/10; C02F1/28
摘要
本发明公开了一种活性碳纤维丝的改性方法和水处理填料装置及其应用，属于水处理及填料领域。本发明首先将碳纤维原丝用去离子水预处理，然后用加有磷酸二氢铵的硝酸溶液浸泡，再烘干煅烧，得到改性活性碳纤维，其比表面积增大且表面含氧基团增加，微生物亲和性增强，基于改性活性碳纤维得到的水处理填料挂膜速率和挂膜量显著提高，可更好的吸收、吸附水中溶解态和悬浮态污染物，能用于处理有机染料废水、制药厂废水、造纸废水等污水处理工程以及生活污水、水厂原水的净化等，具有方法简单易行、水处理填料结构简单、设计合理、易于制造的优点。
权利要求书
1.一种活性碳纤维丝的改性方法，其步骤为：
(a)将活性碳纤维丝浸入去离子水中，加热煮沸并不断搅拌;
(b)将步骤(a)中煮沸后得到的活性碳纤维丝用常温去离子水浸泡并不断搅拌;
(c)用去离子水冲洗经步骤(b)处理后的活性碳纤维丝，得到干净的活性碳纤维丝;
(d)将步骤(c)中得到的干净的活性碳纤维丝烘干，得到预处理后的活性碳纤维丝;
(e)将步骤(d)中得到的预处理后的活性碳纤维丝浸入硝酸溶液中，然后往硝酸溶液 中加入磷酸二氢铵，浸泡后取出;
(f)将步骤(e)中得到的经硝酸和磷酸二氢铵溶液浸泡后的活性碳纤维丝烘干，然后 在氮气保护条件下煅烧，煅烧后保温，最后得到改性的活性碳纤维丝。
2.根据权利要求1所述的一种活性碳纤维丝的改性方法，其特征在于：所述的活性碳纤 维丝为PAN基碳纤维丝。
3.根据权利要求1所述的一种活性碳纤维丝的改性方法，其特征在于：所述的步骤(a) 中煮沸时间为2.5h。
4.根据权利要求1所述的一种活性碳纤维丝的改性方法，其特征在于：所述的步骤(b) 中的浸泡时间为2-3h。
5.根据权利要求1所述的一种活性碳纤维丝的改性方法，其特征在于：所述的步骤(d) 和步骤(f)中的烘干温度为120℃，烘干时间大于10h，步骤(f)中的煅烧温度为560-580℃， 煅烧时间为0.5～0.8h，步骤(f)中的保温温度为95℃±3℃。保温时间为1h，然后自然冷却 至室温得到改性的活性碳纤维丝。
6.根据权利要求1所述的一种活性碳纤维丝的改性方法，其特征在于：所述的步骤(e) 中的硝酸溶液浓度为0.15～0.20mol/L，将质量分数为65%～68%的分析纯级硝酸用去离子水稀 释得到;磷酸二氢铵与硝酸的摩尔浓度比为10:15，将质量分数≥99%的分析纯级磷酸二氢铵 加入到0.15～0.20mol/L的硝酸溶液得到。
7.一种水处理填料装置，包括填料单体(5)、绳子(6)、固定支架(8)和硬质塑料管 (9)，其特征在于：所述的绳子(6)一端固定在固定支架(8)上，所述的填料单体(5)串 连在绳子(6)上，每两个填料单体(5)之间用硬质塑料管(9)隔开;所述的填料单体(5) 由水处理填料(1)和圆环形载体(4)组成，所述的水处理填料(1)为权利要求1中得到的 改性活性碳纤维丝，改性活性碳纤维丝对折后夹在圆环形载体(4)内部固定;所述的圆环形 载体(4)由两个圆盘组成，所述的圆盘的中心部位设有中心盘(3)，外侧为圆环(10)，所 述的圆环(10)上设有压扣，圆环(10)与中心盘(3)通过设置在圆环形载体(4)上的水 力挡板(2)和连接杆(11)连接;圆环形载体(4)上的水力挡板(2)与连接杆(11)依次 间隔设置;所述的中心盘(3)上设有中心孔(12)。
8.根据权利要求7所述的一种水处理填料装置，其特征在于：所述的水力挡板(2)为 弧形，在圆环形载体(4)上均匀布置;所述的连接杆(11)上设有侧枝，所述的侧枝上设有 突刺。
9.根据权利要求7所述的一种水处理填料装置，其特征在于：所述的水处理填料(1) 的长度为10cm;所述的圆环形载体(4)的制作材料为POM塑料，所述圆环(10)的直径 为12cm，圆环(10)上的压扣数量为12个;所述的中心孔(12)的直径为0.4cm;所述的 绳子(6)为不锈钢钢丝绳;所述的硬质塑料管(9)内径大于绳子(6)的直径，硬质塑料管 (9)的外径大于中心孔(12)的直径，长度为3-5cm;每条绳子(6)上串连的填料单体(5) 的个数为3-10个。
10.权利要求7所述的一种水处理填料装置在有机染料废水、制药厂废水、造纸废水、 生活污水、水厂原水的净化领域的应用。
说明书
一种活性碳纤维丝的改性方法和水处理填料装置及其应用
技术领域
本发明属于水处理及填料领域，更具体地说，涉及一种活性碳纤维丝的改性方法和水处 理填料装置及其应用。
背景技术
目前，造纸、纺织等污水量排放较大的行业为了满足环保要求，使用多类技术处理所排 污水，一般来说，此类污水处理难度大，处理成本高。
生物填料是水处理中的核心技术之一，在水处理领域有十分重要的意义。生物填料材质、 结构、性能的不同，直接影响水处理效果。玻璃钢或塑料材质的蜂窝状生物填料具有比表面 积大、孔隙率高等特点，其管壁无死角，衰老生物膜容易脱落，此种填料对负荷较低的污水 有较好的处理效果，不适用于高浓度废水，容易造成填料堵塞，且对曝气方式的要求较高。 硬聚氯乙烯材料的波纹板状生物填料孔径大、不易堵塞、流程长、处理效率较高、利于运输 和安装，但由于废水很难在各流通道上保持均一流速，不能充分发挥填料的整体效果，且不 利于生物膜更新。纤维束软性生物填料可全方位布局在水体中，使气、水、膜充分接触，但 中心绳容易断，纤维丝易缠结、结块、断丝，使用寿命短，从而影响了其水处理效果。聚乙 烯塑料半软性生物填料弥补了软性填料易缠结、结块的缺点，但其填料比表面积减小，对生 物的富集量也减少，且挂膜时间长，造价较高。陶粒等多孔生物填料表面及内部多孔，可为 微生物提供更大的生长空间，无需支撑和外壳固定，使用简单，但其耗能高、制备成本高。
随着对系统的处理效率和出水水质要求的不断提高，常规填料将很难满足更加严格的标 准和环境需求。水处理填料逐渐向比表面积大、挂膜速度快、挂膜紧密度高、对污染物捕捉 灵敏等方向发展。
活性碳纤维被认为是21世纪最优秀的环保材料之一，被广泛应用于气体和液体净化等方 面。活性碳纤维丝微孔小而均匀分布于纤维表面，比表面积可达1000～3000m2/g，可更好地 为微生物提供生长繁殖条件，具有高强度和高弹性模量，表面具有大量含氧活性基团，吸附 和脱附速率快，并可均匀接触与吸附，使吸附材料得以充分利用，在水中耐腐蚀、寿命长， 不会造成环境污染。为了得到活性更高的碳纤维，提高其水处理效果，可以采用不同的方法 改性碳纤维，经改性的活性碳纤维丝表面活性基团数量增加，生物亲和性增强，挂膜速度和 挂膜量提高，作为水处理填料效果更加显著。中国专利申请号201210308582.0公开了一种生 物碳纤维水处理填料的制备方法及应用，该发明专利是在高强度生物碳纤维的基础上利用索 氏提取器用丙酮进行表面脱胶处理得到具有良好生物相容性的高强度碳纤维，但是进行表面 脱胶处理的有机试剂是丙酮，丙酮是一种有毒的、致癌的有机试剂，处理过程对环境不友好 且对人身体有害;中国专利申请号201210518606.5公开了一种环保碳纤维丝表面改性方法， 该表面改性方法首先将碳纤维原丝依次用丙酮和硝酸浸泡，再在活化气体的氛围下进行活化， 得到的改性的碳纤维丝，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，但是改性方法中仍然用到了丙酮，对环境不友好且对人身体有伤 害，从而限制了其应用。
发明内容
1.要解决的问题
针对传统生物填料存在的易脱落易堵塞、强度和韧性不足、不耐腐蚀、不耐高温、吸附 性能较低，不能长期使用的问题以及现有技术中对碳纤维的改性方法对环境不友好且对人身 体有伤害等问题，本发明提供一种活性碳纤维丝的改性方法和水处理填料装置及其应用，改 性后的活性碳纤维丝表面含氧官能团显著增加，吸附效果好、寿命长、使用方便，用其制作 的水处理填料对环境友好，使用方便，净水效果好，可广泛应用于有机染料废水、制药厂废 水、造纸废水等污水处理工程以及生活污水、水厂原水的净化等。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种活性碳纤维丝的改性方法，其步骤为：
(a)将活性碳纤维丝浸入去离子水中，加热煮沸并不断搅拌;
(b)将步骤(a)中煮沸后得到的活性碳纤维丝用常温去离子水浸泡并不断搅拌;
(c)用去离子水冲洗经步骤(b)处理后的活性碳纤维丝，得到干净的活性碳纤维丝;
(d)将步骤(c)中得到的干净的活性碳纤维丝烘干，得到预处理后的活性碳纤维丝;
(e)将步骤(d)中得到的预处理后的活性碳纤维丝浸入硝酸溶液中，然后往硝酸溶液 中加入磷酸二氢铵，浸泡后取出;
(f)将步骤(e)中得到的经硝酸和磷酸二氢铵溶液浸泡后的活性碳纤维丝烘干，然后 在氮气保护条件下煅烧，煅烧后保温，最后得到改性的活性碳纤维丝。
进一步地，所述的活性碳纤维丝为PAN基碳纤维丝。
进一步地，所述的步骤(a)中煮沸时间为2.5h。
进一步地，所述的步骤(b)中的浸泡时间为2-3h。
进一步地，所述的步骤(d)和步骤(f)中的烘干温度为120℃，烘干时间大于10h，步 骤(f)中的煅烧温度为560-580℃，煅烧时间为0.5～0.8h，步骤(f)中的保温温度为95℃± 3℃，保温时间为1h，然后自然冷却至室温得到改性的活性碳纤维丝。
进一步地，所述的步骤(e)中的硝酸溶液浓度为0.15～0.20mol/L，将质量分数为65%～68% 的分析纯级硝酸用去离子水稀释得到;磷酸二氢铵与硝酸的摩尔浓度比为10:15，将质量分数 ≥99%的分析纯级磷酸二氢铵加入到0.15～0.20mol/L的硝酸溶液得到。
一种水处理填料装置，包括填料单体、绳子、固定支架和硬质塑料管，所述的绳子一端 固定在固定支架上，所述的填料单体串连在绳子上，每两个填料单体之间用硬质塑料管隔开; 所述的填料单体由水处理填料和圆环形载体组成，所述的水处理填料为上述得到的改性活性 碳纤维丝，改性活性碳纤维丝对折后的一端夹在圆环形载体内部固定;所述的圆环形载体由 两个圆盘组成，所述的圆盘的中心部位设有中心盘，外侧为圆环，所述的圆环上设有压扣， 圆环与中心盘通过设置在圆环形载体上的水力挡板和连接杆连接，圆环形载体上的水力挡板 与连接杆依次间隔设置;所述的中心盘上设有中心孔。
进一步地，所述的水力挡板为弧形，在圆环形载体上均匀布置;所述的连接杆上设有侧 枝，所述的侧枝上设有突刺。
进一步地，所述的水处理填料的长度为10cm;所述的圆环形载体的制作材料为POM塑 料，所述圆环的直径为12cm，圆环上的压扣数量为12个;所述的中心孔直径为0.4cm;所 述的绳子为不锈钢钢丝绳，所述的硬质塑料管内径大于绳子的直径，硬质塑料管的外径大于 中心孔的直径，长度为3-5cm;每条绳子上串连的填料单体的个数为3-10个。
上述的一种水处理填料装置在有机染料废水、制药厂废水、造纸废水、生活污水、水厂 原水的净化领域的应用。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明首先将碳纤维原丝用去离子水预处理，然后用加有磷酸二氢铵的硝酸溶液浸 泡，再烘干煅烧，得到改性活性碳纤维，改性后的活性碳纤维丝，其比表面积约增大了1.5 倍，表面含氧基团增加约2.5倍，微生物亲和性增强，能更好地为各类微生物生长、繁殖提 供着生条件，挂膜速率和挂膜量最大可分别提高67%和49%，可更好的吸收、吸附水中溶解 态和悬浮态污染物;
(2)本发明中的水处理填料载体为POM塑料，其本身是一种简单填料，且载体上具有 弧形的挡板，可在水流的推动作用下慢速旋转，增强活性碳纤维丝与水的接触，使挂膜更加 密实均匀，提高了活性碳纤维丝的利用率和吸附效果，在有机物的去除效果上，有弧形挡板 的填料体较无挡板的填料体处理效率提高4.7%-9.8%;
(3)本发明中的串状水处理填料可以根据水质特性增加或者减少填料单体和硬质塑料管 的个数，便于控制填料单体之间的垂向数量和上下层密度，操作方便，经济实用;
(4)本发明的改性活性碳纤维丝及用作水处理填料的方法环境友好，使用方便，净水效 果好，可广泛应用于有机染料废水、制药厂废水、造纸废水等污水处理工程以及生活污水、 水厂原水的净化等，同时本发明方法简单易行，效率高，拥有广泛的应用前景;
(5)本发明的水处理填料结构简单，设计合理，易于制造，可采用工厂化统一加工。