專利名稱：生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法以及包括其的污水處理反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，具體而言涉及一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法以及包括其的污水處理反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
目前，生物膜法已成為與活性污泥法并列的兩大生物污水處理方法之一。生物膜法污水處理是使污水與固著在載體上的生物膜接觸，進(jìn)行固、液相的物質(zhì)交換，利用膜內(nèi)微生物將有機物氧化降解，使污水獲得凈化，同時，生物膜內(nèi)微生物不斷生長與繁殖的過程。 生物膜法具有處理效率高，耐沖擊負(fù)荷強、體積小，便于運行管理、且能夠避免活性污泥法的污泥膨脹現(xiàn)象的優(yōu)勢，其可以維持較高的污泥齡，且生物相相對穩(wěn)定，具有很高的生物量，從而相對使得水力停留時間大為縮短，或者在等同的停留時間內(nèi)降解一些活性污泥法不能處理的難降解物質(zhì)，進(jìn)而提高處理效率。另外，生物膜法對毒性物質(zhì)具有較強的抵抗性，可以實現(xiàn)封閉式運轉(zhuǎn)，便于管理，解決臭味問題，并具有一定的硝化和反硝化能力。生物膜法污水處理中，生物膜載體的選擇對處理污水的效果非常重要。以下將具體說明幾種具體的生物膜法污水處理的方案。一、傳統(tǒng)生物膜法污水處理中，填料采用如碎石、卵石、爐渣、和焦炭等實心物質(zhì)， 這些物質(zhì)比表面積小和孔隙率低，應(yīng)用受到了限制。二、到了 60年代，有機合成固著載體材料大量生產(chǎn)，生物膜載體按類可分為有機類和無機類載體，有機類載體在生物膜載體的發(fā)展過程中起了重要的作用，可分為天然高分子載體和合成高分子載體，目前應(yīng)用的生物膜載體主要有海藻酸鈣、瓊脂等天然高分子載體及PE、PVC、PS、PP、PVA、PU及多種形狀的塑料填料等合成高分子載體。當(dāng)前所用的無機類載體，大部分為粒狀載體，如碳酸類石、玻璃材料、顆粒、礦渣及活性炭等粒子，其表面積和孔隙率大大增加，提高了機械強度和生物相容性，但它們的比重較大不利于在流化床等流化態(tài)反應(yīng)器中運行，并且對它們的回收利用較困難。三、生物接觸氧化法是生物膜法的一種，在生物接觸氧化法中，微生物主要以生物膜的狀態(tài)附著在固體填料上，有部分生物絮體呈破碎生物膜狀懸浮于處理水中，生物接觸氧化法中有機物的去除主要靠生物膜(附著微生物)的作用來完成。生物接觸氧化法的中心處理構(gòu)筑物是接觸氧化池，接觸氧化池主要由池體、填料、布水裝置和曝氣系統(tǒng)4部分組成。根據(jù)水流狀態(tài)的不同，接觸氧化池可分為分流式(池內(nèi)循環(huán)式)和直流式。所謂分流式，即廢水充氧與生物膜接觸是在不同的格內(nèi)進(jìn)行。廢水充氧后在池內(nèi)進(jìn)行單向和雙向循環(huán)，適用于BOD負(fù)荷較小的三級處理，國外廢水處理工程中較常采用；直流式就是直接在填料底部進(jìn)行鼓風(fēng)充氧，國內(nèi)廢水處理工程中多采用直流式。但是這種生物接觸氧化法作用范圍有限，填料間水流緩慢，水力沖刷力小，生物膜只能自行脫落，且微生物對有機污染物的降解能力差。綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的生物膜法中載體、填料不是存在比表面積低，吸附能力差、表面生物相容性差、生物膜掛膜速度慢、容易藏納污泥、不易清洗再生、使用壽命短的問題，就是存在作用范圍有限，填料間水流緩慢，水力沖刷力小，生物膜只能自行脫落的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法以及包括其的污水處理反應(yīng)器，以克服現(xiàn)有生物膜法污水處理的不足。為此，在本發(fā)明的一個方面提供了一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，包括芯層，由比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成；外層，由丙綸纖維的網(wǎng)眼布構(gòu)成，外層包裹在芯層的外周。進(jìn)一步地，上述生物活性碳纖維為聚丙烯腈基生物活性碳纖維、粘膠基生物活性碳纖維或浙青基生物活性碳纖維。進(jìn)一步地，上述丙綸纖維的網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。進(jìn)一步地，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料還包括設(shè)置在外層上的環(huán)狀毛圈部，環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成。進(jìn)一步地，上述環(huán)狀毛圈部由直徑為150D 600D的丙綸纖維絲和直徑為150D 600D的滌綸纖維絲編織而成。在本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種上述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的制備方法， 包括以下步驟制備生物活性碳纖維；制備丙綸纖維網(wǎng)眼布；以生物活性碳纖維為芯層，將丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。進(jìn)一步地，上述制備生物活性碳纖維的步驟包括將聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維作為碳纖維原料，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C，進(jìn)行50 150 分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。進(jìn)一步地，上述制備生物活性碳纖維的步驟還包括表面活性處理的步驟，表面活性處理的步驟包括將生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為 50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25 的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。進(jìn)一步地，上述在丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周的步驟前進(jìn)一步包括在丙綸纖維網(wǎng)眼布上設(shè)置環(huán)狀毛圈部的步驟，環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成。進(jìn)一步地，上述形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的步驟包括將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在生物活性碳纖維上形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料；或者將丙綸纖維網(wǎng)眼布分為第一塊與第二塊，將生物活性碳纖維放置在第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布之間，并將第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布的外周縫合，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。在本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種污水處理反應(yīng)器，包括接觸氧化池，接觸氧化池中包括水處理填料，水處理填料為上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過將比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維作為芯層，并在芯層外側(cè)設(shè)置丙綸纖維網(wǎng)眼布以起到增強作用，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，吸附性高的優(yōu)勢的同時，具有較高的強度，進(jìn)而堅固耐用，便于清洗維護(hù)，不易藏納污泥，減少了更換次數(shù)，延長了使用壽命。本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過在外層設(shè)置環(huán)狀毛圈部對污水中的微生物和有機污染物有攔截作用，有利于生物活性碳纖維吸附微生物菌群和有機污染物，同時由丙綸纖維和滌綸纖維構(gòu)成的環(huán)狀毛圈自身也具有掛膜作用，在其表面形成微生物膜， 通過新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過改良生物活性碳纖維的制備方法，使該生物活性碳纖維以及生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有較大的比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高的效果。本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過采用本發(fā)明所提供的表面活性處理，使其具有優(yōu)異生物相容性生物活性碳纖維，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污染物，這種活性碳纖維材料掛膜后對CODcr的去除率和氨氮去除率都有明顯提升。本發(fā)明所提供的污水處理反應(yīng)器，通過采用上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料作為填料減少了膜污染的問題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、總磷。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中對技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，但如下實施例僅是用以理解本發(fā)明，而不能限制本發(fā)明，本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。在本發(fā)明的一種典型的實施方式中，生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，包括芯層和外層，芯層由比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成。外層由丙綸纖維網(wǎng)眼布構(gòu)成，該生態(tài)碳纖維復(fù)合材料是通過外層包裹在芯層的外周形成的。本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，通過采用生物活性碳纖維使其具有表面能較高、與水的潤濕性較好、表面親水性較好的性能，同時，通過在該生物活性碳纖維芯層的外周圍繞一層丙綸纖維的網(wǎng)眼布以增強該生物活性碳纖維的強度，能夠適應(yīng)于污水處理過程中的水力沖擊，使得本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料堅固耐用。而且該外層形成這種網(wǎng)眼布結(jié)構(gòu)使其便于清洗維護(hù)，不易藏納污泥，可減少更換次數(shù)，進(jìn)而延長使用壽命。優(yōu)選地，上述生物活性碳纖維為聚丙烯腈基生物活性碳纖維、粘膠基生物活性碳纖維或浙青基生物活性碳纖維；這些原料具有優(yōu)異的表面能、與水的潤濕性、以及表面親水性能，更有利于用于污水處理。更優(yōu)選地，上述生物活性碳纖維為厚度為0. 5 5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纖維氈；厚度為0. 5 5mm的粘膠基生物活性碳纖維氈；或者由噴吹法制備的浙青基生物活性碳纖維。其中聚丙烯腈纖維氈與粘膠纖維氈可以直接采用市售產(chǎn)品，其能夠增強聚丙烯腈纖維和粘膠纖維的強度，且容易定型。優(yōu)選地、上述丙綸纖維網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。這種丙綸纖維的網(wǎng)眼布具有透水性好、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐老化效果好的優(yōu)勢，使其適用于任何種類的污水處理。將上述丙綸纖維的網(wǎng)眼布中丙綸纖維絲的直徑控制為200D 500D 能夠保證丙綸纖維網(wǎng)眼布具有足夠的強度，以起到支撐作用，同時，在該范圍內(nèi)還具有耐用性好的優(yōu)勢，能夠延長使用期限。更為優(yōu)選地，上述丙綸纖維網(wǎng)眼布的網(wǎng)眼孔徑為0. 5-2mm,網(wǎng)眼孔徑不宜過小，網(wǎng)眼孔徑過小會使得微生物和污染物不易通過，不利于位于芯層的生物活性碳纖維對微生物和污染物的吸附與過濾。網(wǎng)眼孔徑也不宜過大，網(wǎng)眼孔徑過大會造成生物活性碳纖維的外漏，進(jìn)而降低污水凈化效果。在本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料還包括設(shè)置在丙綸纖維網(wǎng)眼布上的環(huán)狀毛圈部，該環(huán)狀毛圈部可以通過圓盤機均勻地栽植在丙綸纖維網(wǎng)眼布上，該環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成，一種具體的方案中環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維呈螺旋狀捻合而成。栽植在丙綸纖維網(wǎng)眼布上的環(huán)狀毛圈部中采用強度較好的丙綸纖維用以形成支撐結(jié)構(gòu)，并采用與丙綸纖維混合復(fù)合的滌綸纖維掛膜。這種環(huán)狀毛圈部在使用過程中隨著污水流動的方向飄動，增加上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料與污水的接觸面積，進(jìn)而保證對污水的處理效果。優(yōu)選地，上述環(huán)狀毛圈部是由直徑為150D 600D的丙綸纖維絲和直徑為150D 600D的滌綸纖維絲編織而成。在環(huán)狀毛圈部中丙綸纖維絲和滌綸纖維絲的直徑為150D 600D，在范圍內(nèi)能夠與丙綸纖維網(wǎng)眼布中丙綸纖維絲的直徑范圍相匹配，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合材料。在使用時間，優(yōu)選使丙綸纖維絲直徑大于滌綸纖維絲的直徑，丙綸纖維絲主要起到支撐作用，使其直徑大于滌綸纖維絲的直徑能夠更好地保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種在丙綸纖維網(wǎng)眼布上栽植有機纖維毛圈的方式，有利于增加上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料與污水的接觸面積，進(jìn)而對污水中的微生物和有機污染物進(jìn)行攔截。這種結(jié)構(gòu)的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有掛膜方式多樣化的優(yōu)勢，一方面位于芯層的生物活性碳纖維表面能夠形成微生物膜，另一方面由丙綸纖維和滌綸纖維構(gòu)成的環(huán)狀毛圈部也具有掛膜作用， 在其表面也能形成微生物膜，兩部分微生物膜相輔相成，通過新陳代謝作用降解水體中的有機污染物，增強凈化效果。這種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)， 而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除COD、氨氮、總磷。最后出水CODcr在35mg/L 以下，氨氮及總磷濃度優(yōu)于國家一級A標(biāo)準(zhǔn)。在一種具體的方式中，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料中生物活性碳纖維為厚度為 0. 5 5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纖維氈；厚度為0. 5 5mm的粘膠基生物活性碳纖維氈；或者由噴吹法制備的浙青基生物活性碳纖維，丙綸纖維網(wǎng)眼布包括超細(xì)丙綸纖維的網(wǎng)眼布，由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成；以及環(huán)狀毛圈部，由直徑為150D 600D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲編織而成。在本發(fā)明的一種典型的實施方式中，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟制備生物活性碳纖維；制備丙綸纖維網(wǎng)眼布；以生物活性碳纖維為芯層，將丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。這種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的制備工藝簡單，適于大批量生產(chǎn)。其中，制備生物活性碳纖維的步驟包括以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維以及浙青纖維中的一種或幾種作為原料，進(jìn)行預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲，對預(yù)氧絲進(jìn)行炭化及活化處理， 形成生物活性碳纖維。
本發(fā)明中制備生物活性碳纖維的步驟可以采用現(xiàn)有的方法，例如采用現(xiàn)有技術(shù)中的方法，例如專利申請?zhí)枮?1123491. 1，名稱為“生物活性碳纖維及其制備方法”的專利申請中所提出的生物活性碳纖維。只需將其中生物活性碳纖維的比表面積控制在大于 IOOOmVg 即可。更為優(yōu)選地，在一種具體的實施方式中，制備生物活性碳纖維的步驟包括將聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維為碳纖維原料，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C，進(jìn)行50 150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10 300C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。這種生物活性碳纖維的制備方法在預(yù)氧化處理過程中逐漸升溫，以強化碳纖維原料的結(jié)構(gòu)，使其在高溫炭化活化過程中不熔不燃，并保持纖維形態(tài)，同時通過將炭化處理和活化處理同步進(jìn)行減少了工藝步驟，節(jié)約了工藝成本。同時，在預(yù)氧化處理過程中，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C的過程，有利于保持碳纖維原料的形態(tài)。在炭化及活化過程中以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C的過程有利于使預(yù)氧絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，逐步形成本發(fā)明生物活性碳纖維，并保持碳纖維的形態(tài)。通過預(yù)氧化處理過程和炭化及活化過程中各種參數(shù)的協(xié)調(diào)作用使得本發(fā)明所提供的碳纖維原料比表面積增大、吸附性和相容性增強。由于比表面積大、孔徑分布合理，吸附性較好，使得這種生物活性碳纖維，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，掛膜速度快，這些微生物以有機污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。該生物活性碳纖維材料掛膜后對CODcr的去除率在80%和氨氮去除率都由明顯提升。優(yōu)選地，在上述生物活性碳纖維的制備方法中，還包括對生物活性碳纖維進(jìn)行表面活性處理的步驟。表面活性處理能夠使得該生物活性碳纖維獲得良好的表面結(jié)構(gòu)，表面粗糙度增加，碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加，表面能增加、且能夠改善與水的潤濕性能，使其接觸角變小，表面呈現(xiàn)出親水性。表面處理工藝有多種方法和工藝，如硫酸、硝酸、混酸、KOH、NaOH處理等，都可以引入官能團(tuán)，達(dá)到好的生物相容性。在本發(fā)明優(yōu)選采用雙氧水和氨水處理，雙氧水和氨水相對比較溫和，不破壞活性碳纖維的孔結(jié)構(gòu)，氨水處理可以在活性碳纖維表面形成C-N鍵，有利于硝化菌的吸附，經(jīng)過雙氧水和氨水處理的生物活性碳纖維表面親水性更好，潤濕性好和微生物相容性高，在污水處理過程中能夠表現(xiàn)出對污染物的吸附以及生物膜的生成更有利的性能。一種具體地實施方式中，上述表面活性處理的步驟包括將生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液和濃度為25 的氨水溶液的混合溶液中，采用頻率為 50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行表面活性處理。在混合溶液中過氧化氫溶液和氨水溶液的體積比優(yōu)選為1 1 2 1。這種表面改性處理方式的步驟簡單，容易實現(xiàn)，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘有利于使處理溶液進(jìn)入活性碳纖維的孔洞中，并在其表面形成活性官能團(tuán)。另一種具體地實施方式中，上述表面活性處理的步驟包括將生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為 25 的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。這種表面改性處理方式，將生物活性碳纖維相對于過氧化氫溶液和氨水溶液分別進(jìn)行處理，增加了工藝步驟，但是，這種分先后進(jìn)行表面處理的方式能夠更多地在活性碳纖維表面形成氨基基團(tuán)。本發(fā)明所提供的生物活性碳纖維經(jīng)過表面改性處理能夠具有優(yōu)異的生物相容性， 由于活性碳纖維的比表面積很大，對微生物有很強的吸附作用，微生物被吸附到活性碳纖維表面后，由于經(jīng)過表面改性處理，活性碳纖維表面的官能團(tuán)易于微生物附著和生長，所以掛膜快。另外，生物活性碳纖維上具有微小孔洞，在曝氣和水的流動作用下可以產(chǎn)生超聲波，生物活性碳纖維不僅微生物掛膜快，而且凋亡的微生物可以快速脫落，促進(jìn)微生物的更新代謝，顯著提高污水處理效果。通過上述方式所制備的生物活性碳纖維，具有表面能較高、與水的潤濕性較好、表面親水性能較好的性能，這些性能都是得該生物活性碳纖維更適于引用與污水處理，以吸附污水中的污染物和形成生物膜。在本發(fā)明的一種典型的實施方式中，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的制備方法中丙綸纖維網(wǎng)眼布優(yōu)選采用直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。這種丙綸纖維的網(wǎng)眼布具有透水性好、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐老化效果好的優(yōu)勢，使其適用于任何種類的污水處理。將上述丙綸纖維的網(wǎng)眼布中丙綸纖維絲的直徑控制為200D 500D能夠保證丙綸纖維的網(wǎng)眼布的具有足夠的強度，以起到支撐作用，同時，在該范圍內(nèi)還具有耐用性好的優(yōu)勢， 能夠延長使用期限。更為優(yōu)選地，上述丙綸纖維的網(wǎng)眼布的網(wǎng)眼孔徑為0. 5-2mm,網(wǎng)眼孔徑不宜過小， 網(wǎng)眼孔徑過小會使得微生物和污染物不易通過，不利于位于芯層的生物活性碳纖維對微生物和污染物的吸附與過濾。網(wǎng)眼孔徑也不宜過大，網(wǎng)眼孔徑過大會造成生物活性碳纖維的外漏，進(jìn)而降低污水凈化效果。在本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周的步驟前還包括在丙綸纖維網(wǎng)眼布上設(shè)置環(huán)狀毛圈部的步驟，環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成上述生物活性碳纖維的制備方法中，將丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的一種方式為將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在生物活性碳纖維上形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，另一種方式為將丙綸纖維網(wǎng)眼布分為第一塊與第二塊，將生物活性碳纖維放置在第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布之間，并將第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布的外周縫合，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。在縫合過程中采用丙綸纖維絲即可?；诒景l(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，本發(fā)明還提供了一種污水處理反應(yīng)器，包括接觸氧化池，該接觸氧化池中包括水處理填料，水處理填料為上述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。這種污水處理反應(yīng)器，通過將本發(fā)明所提供的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料作為水處理填料，使其減少膜污染的問題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、總磷。在實際應(yīng)用過程中，接觸氧化池中水處理填料通常采用可拆卸的不銹鋼架固定， 以便于填料的清洗。其中水處理填料優(yōu)選為密度為10% 20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。密度在該范圍內(nèi)的填料具有掛膜速度與成本相適配，提升性價比的的優(yōu)勢。另外，填料的用量根據(jù)具體水質(zhì)而定，正常用量為填料及其表面掛膜的總體積與接觸氧化池的體積比為10% 到15%之間，一般不超過體積比的20%。以下將結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法、包括其的生物碳纖維平板膜組件以及污水處理反應(yīng)器的有益效果。實施例1原料厚度為0. 5mm聚丙烯腈纖維氈，直徑為200D的丙綸纖維絲，和直徑為150D 的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司常州邦冠化工有限公司)。制備方法將聚丙烯腈纖維氈以3°C /分鐘的速率逐漸升溫至200°C后，進(jìn)行50分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10°c /分鐘的速率逐漸升溫至700°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液和濃度為的氨水溶液按照體積比1 1制備的混合溶液中，采用頻率為50KHZ的超聲波下處理10分鐘，進(jìn)行表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將直徑為300D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布；直徑為150D的丙綸纖維絲和直徑為150D的滌綸纖維絲編織形成復(fù)合毛圈，將復(fù)合毛圈栽植在超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布上，形成環(huán)狀毛圈部，進(jìn)而形成丙綸纖維網(wǎng)眼布。將栽植有環(huán)狀毛圈部的丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，即得樣品1。將樣品1制作為密度為20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料。實施例2原料厚度為0. 5mm粘膠纖維氈，直徑為500D的丙綸纖維絲，和直徑為600D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司山東海龍股份有限公司)。制備方法將粘膠纖維氈以5°C /分鐘的速率逐漸升溫至300°C后，進(jìn)行150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以30°C /分鐘的速率逐漸升溫至800°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行90分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液中，采用頻率為IOOKHz的超聲波下處理60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25 %的氨水溶液中，采用頻率為IOOKHz的超聲波下處理60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將直徑為500D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布；直徑為600D的丙綸纖維絲和直徑為600D的滌綸纖維絲編織形成復(fù)合毛圈，將復(fù)合毛圈栽植在超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布上，形成環(huán)狀毛圈部，進(jìn)而形成丙綸纖維網(wǎng)眼布。將栽植有環(huán)狀毛圈部的丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，即樣品2。將樣品1制作為密度為20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料。實施例3
原料噴吹法制備的浙青纖維，直徑為300D的丙綸纖維絲，和直徑為300D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司)。制備方法將噴吹法制備的浙青纖維以4°C /分鐘的速率逐漸升溫至250°C后，進(jìn)行100分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以20°C /分鐘的速率逐漸升溫至 750°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行60分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25%的氨水溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將直徑為400D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布；直徑為270D的丙綸纖維絲和直徑為150D的滌綸纖維絲編織形成復(fù)合毛圈，將復(fù)合毛圈栽植在超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布上，形成環(huán)狀毛圈部，進(jìn)而形成丙綸纖維網(wǎng)眼布。將栽植有環(huán)狀毛圈部的丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，即樣品3。將樣品1制作為密度為20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料。實施例4原料選濕法紡制的市售英國courtaulds公司生產(chǎn)的含90%以上的丙烯腈單體組分的聚丙烯腈共聚纖維(其單絲孔數(shù)為3000，纖度1.1旦(1.22dteX)，共聚物組分(按重量比)是丙烯腈96、甲叉丁二酸1、丙烯酸鉀酯3、平均含水率0. 67% )。制備方法將聚丙烯腈共聚纖維在220j80°C，熱處理氣氛為空氣，進(jìn)行不熔化處理，處理時間60分鐘，升溫速度1. O0C /分鐘。纖維形變+10%，得到平衡含水率6. 9%、纖維含氧量 9. 5%的聚丙烯腈不熔化纖維。將纖維在300-800°C下進(jìn)行炭化與活化?？刂铺炕郎厮俾?80°C /分鐘，活化溫度800°C，活化30分鐘，獲得生物活性碳纖維。將直徑為200D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布；直徑為600D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲編織形成復(fù)合毛圈，將復(fù)合毛圈栽植在超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布上，形成環(huán)狀毛圈部，進(jìn)而形成丙綸纖維網(wǎng)眼布。將栽植有環(huán)狀毛圈部的有丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，即樣品3。將樣品1制作為密度為20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料。對比例1原料選濕法紡制的市售英國courtaulds公司生產(chǎn)的含90%以上的丙烯腈單體組分的聚丙烯腈共聚纖維(其單絲孔數(shù)為3000，纖度1.1旦(1.22dteX)，共聚物組分(按重量比)是丙烯腈96、甲叉丁二酸1、丙烯酸鉀酯3、平均含水率0. 67% )。制備方法將聚丙烯腈共聚纖維在220j80°C，熱處理氣氛為空氣，進(jìn)行不熔化處理，處理時間60分鐘，升溫速度1. O0C /分鐘。纖維形變+10%，得到平衡含水率6. 9%、纖維含氧量 9. 5%的聚丙烯腈不熔化纖維。將纖維在300-800°C下進(jìn)行炭化與活化。控制炭化升溫速率 80°C /分鐘，活化溫度800°C，活化30分鐘，獲得生物活性碳纖維。水處理填料上述生物活性碳纖維填料密度為20%。
對比例2水處理填料碳素纖維生態(tài)草(原料聚丙烯腈纖維氈，填料密度為20%。)測試1、對實施例1-4以及對比例1中所制備的生物活性碳纖維的性能進(jìn)行測試，測試結(jié)構(gòu)如表1表1生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料性能測試
權(quán)利要求
1.一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，包括芯層，由比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成； 外層，由丙綸纖維網(wǎng)眼布構(gòu)成，所述外層包裹在所述芯層的外周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，所述生物活性碳纖維為聚丙烯腈基生物活性碳纖維、粘膠基生物活性碳纖維或浙青基生物活性碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，所述丙綸纖維網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，還包括設(shè)置在所述外層上的環(huán)狀毛圈部，所述環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，所述環(huán)狀毛圈部由直徑為150D 600D的丙綸纖維絲和直徑為150D 600D的滌綸纖維絲編織而成。
6.一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 制備生物活性碳纖維；制備丙綸纖維網(wǎng)眼布；以所述生物活性碳纖維為芯層，將所述丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在所述芯層的外周，形成所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述制備生物活性碳纖維的步驟包括將聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維作為碳纖維原料，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C，進(jìn)行50 150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將所述預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理，形成所述生物活性碳纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述制備生物活性碳纖維的步驟還包括表面活性處理的步驟，所述表面活性處理的步驟包括將所述生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的所述生物活性碳纖維在濃度為25 的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項所述的制備方法，其特征在于，在所述丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在所述芯層外周的步驟之前，進(jìn)一步包括在丙綸纖維網(wǎng)眼布上設(shè)置環(huán)狀毛圈部的步驟，所述環(huán)狀毛圈部由丙綸纖維和滌綸纖維復(fù)合而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，形成所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的步驟包括將所述丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在所述生物活性碳纖維上形成所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料;或者將所述丙綸纖維網(wǎng)眼布分為第一塊與第二塊，將所述生物活性碳纖維放置在第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布之間，并將所述第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布的外周縫合，形成所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。
11.一種污水處理反應(yīng)器，其特征在于，包括接觸氧化池，所述接觸氧化池中包括水處理填料，所述水處理填料為權(quán)利要求1-5中任一項所述的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法以及包括其的污水處理反應(yīng)器。生態(tài)碳纖維復(fù)合材料包括芯層，由比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成；外層，由丙綸纖維的網(wǎng)眼布構(gòu)成，外層包裹在芯層的外周。生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過將比表面積大于1000m2/g的生物活性碳纖維作為芯層，并在芯層外側(cè)設(shè)置丙綸纖維網(wǎng)眼布以起到增強作用，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，吸附性高的優(yōu)勢的同時，具有較高的強度，進(jìn)而堅固耐用，便于清洗維護(hù)，不易藏納污泥，減少了更換次數(shù)，延長了使用壽命。
文檔編號B01J20/20GK102491498SQ20111042542
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者何一群, 何江, 吳偉明, 海熱提·吐爾遜, 趙東林 申請人:北京化工大學(xué), 浙江欣之球科技發(fā)展有限公司