碳纤维材料及其性能
2013-03-28 09:32 分类：技术应用 来源：中国污水处理工程网
一、北京化工大学环境科学与工程技术中心
环境科学与工程技术中心是北京化工大学跨学科、跨学院的校级科研机构。成立于2001年4月19日，依托单位有化学工程学院、材料学院、理学院及环境工程系等，通过最近几年的努力，环境中心（环境系）已形成了一支学历高、年龄结构合理、充满朝气的学术梯队。环境中心有工程院院士2人，教授（研究员）20人，博士生导师10人，副教授（高工）30人，讲师（工程师）45人，博士后4人。其中具有博士学位的教师25人，已经形成一支学历高、年龄结构合理、充满朝气的学术梯队。
二、污水处理填料简介
工业废水、生活污水处理中的生物接触氧化法、上流式曝气生物滤池及膜生物反应器技术是比较高效的水处理工艺, 而填料是这些工艺的核心部分,无论是好氧、兼氧还是厌氧过程中, 生物填料作为微生物的载体影响着生物的生长、繁殖和脱落的整个过程，它的性能直接影响和制约着处理的效果。
一般选用填料时，要综合考虑以下几点：①微生物挂膜快，老化生物膜易脱落；②稳定性，要求填料能抗酸、抗碱、耐氧化，不易生物降解,不易老化等；③充氧效率高；④安装维修方便；⑤质轻，机械强度大；⑥价格便宜等。其中,充氧性能是一个主要指标，直接关系着填料类型选择、处理效果、基建投资和能源消耗等，选择合适的填料，能够缩短工艺的反应时间，提高运行效果及运行稳定性等。
我国目前使用的生物填料大致可以分为三大类：第一类为定型固定式填料，主要是蜂窝类填料；第二类为悬挂式填料，如软性填料、半软性填料、弹性立体填料、组合型填料等；第三类为堆积式、悬浮式填料即分散式填料，如鲍尔环、阶环、空心球、悬浮粒子等。对于性能更好的亲水填料及生物亲和(活性)填料，目前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等为原材料而制成，填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。
三、污水处理常用填料
3.1软性组合填料
软性组合填料是由软性纤维和中间绳所组成的填料，具有布水布气均匀，软性填料比表面积大和挂膜快等优点 按照高分子组成的不同，软性填料的材质可分为聚烯烃类，聚酯，有机玻璃，合成塑料和维纶纤维等。
3.2半软性填料
半软性填料主要是为了弥补硬性填料的易堵和软性填料的缠结和断丝两方面不足而提出的。其不足在于比表面积相对较小,表面光滑,微生物附着性能相对较差和造价偏高。
3.3组合填料
组合填料是在软性填料的基础上改进的另一类填料,由纤维束、塑料片、套管与中心绳组成，集软性和半软性填料之优点，克服了两者的弊端，是污水在生化处理过程中较为理想的产品。
3.4生物填料
生物填料是生物膜水处理技术的核心之一, 目前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、 聚乙烯、 聚氯乙烯或聚酯等为原材料而制成,填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。在实际应用中,人们发现这些填料在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面存在不足。如对材料进行适当的亲水与生物亲和改性,可望大大提高填料的传质、 挂膜和水处理性能。改性悬浮材料聚丙烯填料即为提高表面粗糙性，提高亲水性，表面张力，挂膜速度及氨氮去除率。
3.5改性亲水填料
改性亲水填料主要是通过填料表面处理和在原材料中引入亲水基团两种途径实现。在填料表面结构改性时, 有研究者将填料浸入含氧酸等化学腐蚀液中, 从而除去填料表面的弱界面层,糙化表面；有的研究者在填料表面涂抹亲水材料,表面接枝带有亲水基团的高聚物单体；也有用紫外线辐照塑料填料, 使其表面氧化而形成极性基团。这些技术处理过的填料表面润湿性能有很大的提高, 但也存在不少缺陷。应用溶液浸泡或者表面接枝处理过的填料在运行过程中由于水流的作用很容易发生表面消磨和脱落,使用紫外线处理,往往难以均匀辐照填料的内外表面, 故使填料的内外表面的亲水性产生差异,也影响其使用效果。
3.6活性磁种生物填料
活性磁种生物填料即同时将海藻酸钙、 淀粉等生物亲和性物质和含亲水基团的聚乙烯醇等以及经修饰的磁粉、活性炭引入普通的高分子材料生物填料中, 适当充磁后成为生物亲和亲水活磁种填料。这种填料一方面由于其生物亲和性和亲水性得到改善,将大大提高其表面润湿、传质和挂膜启动等性能；另一方面, 填料中的活性磁种周围,相当于多个微型磁场反应器,能通过磁致物理化学生物效应等协同作用,大幅增加有机污染物的降解速率。其强化机理是:反应器中的有机污染物可在弱磁场(由磁微粒本身产生) 的作用下,通过磁力键、磁力、洛仑兹力和磁致胶体效应等作用经磁聚、吸附、富集到填料表面;氧是顺磁性物质,曝气时会在磁场作用下被吸附到生物亲和填料附近,增大填料表面的氧浓度。
四、生物碳纤维材料特点
生物碳纤维是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料，在生物环境材料领域，生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类，因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所注目。高强生物碳纤维是在生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，可以制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。
五、环境科学与工程技术中心自主研发碳纤维填料
5.1生态碳纤维材料(专利号：201110425425.3)
生态碳纤维材料是一种比表面积大、吸附和脱附性能强、与生物有良好兼容性的新型填料，由腈纶、丙纶和表面修饰后的活性碳纤维复合而成。它具有丰富的微孔结构，孔径分布范围广；比表面积很大，一般都在1000m2/g以上，具有较大的吸附容量；其微孔直接分布于纤维的表面，因而吸附质扩散的路径短、时间短，其吸附和再生的速率快，可在较温和条件下再生。针对其吸附容量大、吸附速率快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长等优点，本单位将其用于水处理领域，其操作安全、由于体积密度小和吸脱层薄，不会造成蓄热和过热现象，也不易发生事故，且节能和经济，可用于大型上水、净水处理，不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。
5.2生物纤维草(专利号：201110425930.8)
生物碳纤维是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料，在生物环境材料领域，生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类，因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所瞩目。高强生物碳纤维是在高强度生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。
本中心联合国家碳纤维工程中心对生物碳纤维进行二次表面活性处理，模拟天然水草形态加工而成并编织成环状生物草，使其具有极高的吸附性和生物亲和性，经太阳光照射后，吸引微生物菌群并在其表面形成粘着性活性生物膜。这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
5.3生物碳纤维双层平板膜（专利号：201110425821.6）
生物碳纤维双层平板膜组件中，采用的生态碳纤维复合材料通过将比表面积大于1300m2/g 的生物活性碳纤维作为芯层，使这种生态碳纤维复合材料在具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高，其能够改善现有膜污染的现状，同时在芯层外侧设置丙纶纤维网眼布以起到增强作用，使得该生态碳纤维复合材料具有较高的强度，进而使得生物碳纤维平板膜组件坚固耐用。
生物碳纤维双层平板膜组件中通过采用改良的生物活性碳纤维，使该生物活性碳纤维以及生态碳纤维复合材料具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高。具有优异生物相容性，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
生物碳纤维双层平板膜组件，将过滤膜与生物活性炭纤维复合材料合理地结合在一起，对污水先经过滤膜过滤，再经生态碳纤维复合材料进一步吸附净化，提高了清水的纯度和洁净度并提高了平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。
环境科学与工程技术中心是北京化工大学跨学科、跨学院的校级科研机构。成立于2001年4月19日，依托单位有化学工程学院、材料学院、理学院及环境工程系等，通过最近几年的努力，环境中心（环境系）已形成了一支学历高、年龄结构合理、充满朝气的学术梯队。环境中心有工程院院士2人，教授（研究员）20人，博士生导师10人，副教授（高工）30人，讲师（工程师）45人，博士后4人。其中具有博士学位的教师25人，已经形成一支学历高、年龄结构合理、充满朝气的学术梯队。
二、污水处理填料简介
工业废水、生活污水处理中的生物接触氧化法、上流式曝气生物滤池及膜生物反应器技术是比较高效的水处理工艺, 而填料是这些工艺的核心部分,无论是好氧、兼氧还是厌氧过程中, 生物填料作为微生物的载体影响着生物的生长、繁殖和脱落的整个过程，它的性能直接影响和制约着处理的效果。
一般选用填料时，要综合考虑以下几点：①微生物挂膜快，老化生物膜易脱落；②稳定性，要求填料能抗酸、抗碱、耐氧化，不易生物降解,不易老化等；③充氧效率高；④安装维修方便；⑤质轻，机械强度大；⑥价格便宜等。其中,充氧性能是一个主要指标，直接关系着填料类型选择、处理效果、基建投资和能源消耗等，选择合适的填料，能够缩短工艺的反应时间，提高运行效果及运行稳定性等。
我国目前使用的生物填料大致可以分为三大类：第一类为定型固定式填料，主要是蜂窝类填料；第二类为悬挂式填料，如软性填料、半软性填料、弹性立体填料、组合型填料等；第三类为堆积式、悬浮式填料即分散式填料，如鲍尔环、阶环、空心球、悬浮粒子等。对于性能更好的亲水填料及生物亲和(活性)填料，目前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等为原材料而制成，填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。
三、污水处理常用填料
3.1软性组合填料
软性组合填料是由软性纤维和中间绳所组成的填料，具有布水布气均匀，软性填料比表面积大和挂膜快等优点 按照高分子组成的不同，软性填料的材质可分为聚烯烃类，聚酯，有机玻璃，合成塑料和维纶纤维等。
3.2半软性填料
半软性填料主要是为了弥补硬性填料的易堵和软性填料的缠结和断丝两方面不足而提出的。其不足在于比表面积相对较小,表面光滑,微生物附着性能相对较差和造价偏高。
3.3组合填料
组合填料是在软性填料的基础上改进的另一类填料,由纤维束、塑料片、套管与中心绳组成，集软性和半软性填料之优点，克服了两者的弊端，是污水在生化处理过程中较为理想的产品。
3.4生物填料
生物填料是生物膜水处理技术的核心之一, 目前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、 聚乙烯、 聚氯乙烯或聚酯等为原材料而制成,填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。在实际应用中,人们发现这些填料在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面存在不足。如对材料进行适当的亲水与生物亲和改性,可望大大提高填料的传质、 挂膜和水处理性能。改性悬浮材料聚丙烯填料即为提高表面粗糙性，提高亲水性，表面张力，挂膜速度及氨氮去除率。
3.5改性亲水填料
改性亲水填料主要是通过填料表面处理和在原材料中引入亲水基团两种途径实现。在填料表面结构改性时, 有研究者将填料浸入含氧酸等化学腐蚀液中, 从而除去填料表面的弱界面层,糙化表面；有的研究者在填料表面涂抹亲水材料,表面接枝带有亲水基团的高聚物单体；也有用紫外线辐照塑料填料, 使其表面氧化而形成极性基团。这些技术处理过的填料表面润湿性能有很大的提高, 但也存在不少缺陷。应用溶液浸泡或者表面接枝处理过的填料在运行过程中由于水流的作用很容易发生表面消磨和脱落,使用紫外线处理,往往难以均匀辐照填料的内外表面, 故使填料的内外表面的亲水性产生差异,也影响其使用效果。
3.6活性磁种生物填料
活性磁种生物填料即同时将海藻酸钙、 淀粉等生物亲和性物质和含亲水基团的聚乙烯醇等以及经修饰的磁粉、活性炭引入普通的高分子材料生物填料中, 适当充磁后成为生物亲和亲水活磁种填料。这种填料一方面由于其生物亲和性和亲水性得到改善,将大大提高其表面润湿、传质和挂膜启动等性能；另一方面, 填料中的活性磁种周围,相当于多个微型磁场反应器,能通过磁致物理化学生物效应等协同作用,大幅增加有机污染物的降解速率。其强化机理是:反应器中的有机污染物可在弱磁场(由磁微粒本身产生) 的作用下,通过磁力键、磁力、洛仑兹力和磁致胶体效应等作用经磁聚、吸附、富集到填料表面;氧是顺磁性物质,曝气时会在磁场作用下被吸附到生物亲和填料附近,增大填料表面的氧浓度。
四、生物碳纤维材料特点
生物碳纤维是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料，在生物环境材料领域，生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类，因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所注目。高强生物碳纤维是在生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，可以制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。
五、环境科学与工程技术中心自主研发碳纤维填料
5.1生态碳纤维材料(专利号：201110425425.3)
生态碳纤维材料是一种比表面积大、吸附和脱附性能强、与生物有良好兼容性的新型填料，由腈纶、丙纶和表面修饰后的活性碳纤维复合而成。它具有丰富的微孔结构，孔径分布范围广；比表面积很大，一般都在1000m2/g以上，具有较大的吸附容量；其微孔直接分布于纤维的表面，因而吸附质扩散的路径短、时间短，其吸附和再生的速率快，可在较温和条件下再生。针对其吸附容量大、吸附速率快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长等优点，本单位将其用于水处理领域，其操作安全、由于体积密度小和吸脱层薄，不会造成蓄热和过热现象，也不易发生事故，且节能和经济，可用于大型上水、净水处理，不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。
5.2生物纤维草(专利号：201110425930.8)
生物碳纤维是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料，在生物环境材料领域，生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类，因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所瞩目。高强生物碳纤维是在高强度生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。
本中心联合国家碳纤维工程中心对生物碳纤维进行二次表面活性处理，模拟天然水草形态加工而成并编织成环状生物草，使其具有极高的吸附性和生物亲和性，经太阳光照射后，吸引微生物菌群并在其表面形成粘着性活性生物膜。这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
5.3生物碳纤维双层平板膜（专利号：201110425821.6）
生物碳纤维双层平板膜组件中，采用的生态碳纤维复合材料通过将比表面积大于1300m2/g 的生物活性碳纤维作为芯层，使这种生态碳纤维复合材料在具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高，其能够改善现有膜污染的现状，同时在芯层外侧设置丙纶纤维网眼布以起到增强作用，使得该生态碳纤维复合材料具有较高的强度，进而使得生物碳纤维平板膜组件坚固耐用。
生物碳纤维双层平板膜组件中通过采用改良的生物活性碳纤维，使该生物活性碳纤维以及生态碳纤维复合材料具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高。具有优异生物相容性，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
生物碳纤维双层平板膜组件，将过滤膜与生物活性炭纤维复合材料合理地结合在一起，对污水先经过滤膜过滤，再经生态碳纤维复合材料进一步吸附净化，提高了清水的纯度和洁净度并提高了平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。
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