一種活性碳纖維絲的改性方法和水處理填料裝置及其應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種活性碳纖維絲的改性方法和水處理填料裝置及其應用，屬于水處理及填料領域。本發(fā)明首先將碳纖維原絲用去離子水預處理，然后用加有磷酸二氫銨的硝酸溶液浸泡，再烘干煅燒，得到改性活性碳纖維，其比表面積增大且表面含氧基團增加，微生物親和性增強，基于改性活性碳纖維得到的水處理填料掛膜速率和掛膜量顯著提高，可更好的吸收、吸附水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物，能用于處理有機染料廢水、制藥廠廢水、造紙廢水等污水處理工程以及生活污水、水廠原水的凈化等，具有方法簡單易行、水處理填料結構簡單、設計合理、易于制造的優(yōu)點。
【專利說明】一種活性碳纖維絲的改性方法和水處理填料裝置及其應用

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理及填料領域，更具體地說，涉及一種活性碳纖維絲的改性方法和水處理填料裝置及其應用。

【背景技術】
[0002]目前，造紙、紡織等污水量排放較大的行業(yè)為了滿足環(huán)保要求，使用多類技術處理所排污水，一般來說，此類污水處理難度大，處理成本高。
[0003]生物填料是水處理中的核心技術之一，在水處理領域有十分重要的意義。生物填料材質、結構、性能的不同，直接影響水處理效果。玻璃鋼或塑料材質的蜂窩狀生物填料具有比表面積大、孔隙率高等特點，其管壁無死角，衰老生物膜容易脫落，此種填料對負荷較低的污水有較好的處理效果，不適用于高濃度廢水，容易造成填料堵塞，且對曝氣方式的要求較高。硬聚氯乙烯材料的波紋板狀生物填料孔徑大、不易堵塞、流程長、處理效率較高、利于運輸和安裝，但由于廢水很難在各流通道上保持均一流速，不能充分發(fā)揮填料的整體效果，且不利于生物膜更新。纖維束軟性生物填料可全方位布局在水體中，使氣、水、膜充分接觸，但中心繩容易斷，纖維絲易纏結、結塊、斷絲，使用壽命短，從而影響了其水處理效果。聚乙烯塑料半軟性生物填料彌補了軟性填料易纏結、結塊的缺點，但其填料比表面積減小，對生物的富集量也減少，且掛膜時間長，造價較高。陶粒等多孔生物填料表面及內部多孔，可為微生物提供更大的生長空間，無需支撐和外殼固定，使用簡單，但其耗能高、制備成本高。
[0004]隨著對系統(tǒng)的處理效率和出水水質要求的不斷提高，常規(guī)填料將很難滿足更加嚴格的標準和環(huán)境需求。水處理填料逐漸向比表面積大、掛膜速度快、掛膜緊密度高、對污染物捕捉靈敏等方向發(fā)展。
[0005]活性碳纖維被認為是21世紀最優(yōu)秀的環(huán)保材料之一，被廣泛應用于氣體和液體凈化等方面?；钚蕴祭w維絲微孔小而均勻分布于纖維表面，比表面積可達1000?3000m2/g，可更好地為微生物提供生長繁殖條件，具有高強度和高彈性模量，表面具有大量含氧活性基團，吸附和脫附速率快，并可均勻接觸與吸附，使吸附材料得以充分利用，在水中耐腐蝕、壽命長，不會造成環(huán)境污染。為了得到活性更高的碳纖維，提高其水處理效果，可以采用不同的方法改性碳纖維，經改性的活性碳纖維絲表面活性基團數量增加，生物親和性增強，掛膜速度和掛膜量提高，作為水處理填料效果更加顯著。中國專利申請?zhí)?01210308582.0公開了一種生物碳纖維水處理填料的制備方法及應用，該發(fā)明專利是在高強度生物碳纖維的基礎上利用索氏提取器用丙酮進行表面脫膠處理得到具有良好生物相容性的高強度碳纖維，但是進行表面脫膠處理的有機試劑是丙酮，丙酮是一種有毒的、致癌的有機試劑，處理過程對環(huán)境不友好且對人身體有害；中國專利申請?zhí)?01210518606.5公開了一種環(huán)保碳纖維絲表面改性方法，該表面改性方法首先將碳纖維原絲依次用丙酮和硝酸浸泡，再在活化氣體的氛圍下進行活化，得到的改性的碳纖維絲，表面含氧官能團增加，生物親和性增強，掛膜量和掛膜速率大幅度提高，是優(yōu)良的生物載體，但是改性方法中仍然用到了丙酮，對環(huán)境不友好且對人身體有傷害，從而限制了其應用。


【發(fā)明內容】

[0006]1.要解決的問題
[0007]針對傳統(tǒng)生物填料存在的易脫落易堵塞、強度和韌性不足、不耐腐蝕、不耐高溫、吸附性能較低，不能長期使用的問題以及現(xiàn)有技術中對碳纖維的改性方法對環(huán)境不友好且對人身體有傷害等問題，本發(fā)明提供一種活性碳纖維絲的改性方法和水處理填料裝置及其應用，改性后的活性碳纖維絲表面含氧官能團顯著增加，吸附效果好、壽命長、使用方便，用其制作的水處理填料對環(huán)境友好，使用方便，凈水效果好，可廣泛應用于有機染料廢水、制藥廠廢水、造紙廢水等污水處理工程以及生活污水、水廠原水的凈化等。
[0008]2.技術方案
[0009]為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0010]一種活性碳纖維絲的改性方法，其步驟為:
[0011](a)將活性碳纖維絲浸入去離子水中，加熱煮沸并不斷攪拌；
[0012](b)將步驟(a)中煮沸后得到的活性碳纖維絲用常溫去離子水浸泡并不斷攪拌；
[0013](c)用去離子水沖洗經步驟(b)處理后的活性碳纖維絲，得到干凈的活性碳纖維絲；
[0014](d)將步驟(C)中得到的干凈的活性碳纖維絲烘干，得到預處理后的活性碳纖維絲；
[0015](e)將步驟(d)中得到的預處理后的活性碳纖維絲浸入硝酸溶液中，然后往硝酸溶液中加入磷酸二氫銨，浸泡后取出；
[0016](f)將步驟(e)中得到的經硝酸和磷酸二氫銨溶液浸泡后的活性碳纖維絲烘干，然后在氮氣保護條件下煅燒，煅燒后保溫，最后得到改性的活性碳纖維絲。
[0017]進一步地，所述的活性碳纖維絲為PAN基碳纖維絲。
[0018]進一步地，所述的步驟(a)中煮沸時間為1.5h。
[0019]進一步地，所述的步驟(b)中的浸泡時間為2_3h。
[0020]進一步地，所述的步驟⑷和步驟(f)中的烘干溫度為120°C，烘干時間大于10h，步驟(f)中的煅燒溫度為560-580°C，煅燒時間為0.5?0.8h，步驟(f)中的保溫溫度為950C ±3°C，保溫時間為lh，然后自然冷卻至室溫得到改性的活性碳纖維絲。
[0021]進一步地，所述的步驟(e)中的硝酸溶液濃度為0.15?0.20mol/L，將質量分數為65%?68%的分析純級硝酸用去離子水稀釋得到；磷酸二氫銨與硝酸的摩爾濃度比為10:15，將質量分數彡99%的分析純級磷酸二氫銨加入到0.15?0.20mol/L的硝酸溶液得到。
[0022]一種水處理填料裝置，包括填料單體、繩子、固定支架和硬質塑料管，所述的繩子一端固定在固定支架上，所述的填料單體串連在繩子上，每兩個填料單體之間用硬質塑料管隔開；所述的填料單體由水處理填料和圓環(huán)形載體組成，所述的水處理填料為上述得到的改性活性碳纖維絲，改性活性碳纖維絲對折后的一端夾在圓環(huán)形載體內部固定；所述的圓環(huán)形載體由兩個圓盤組成，所述的圓盤的中心部位設有中心盤，外側為圓環(huán)，所述的圓環(huán)上設有壓扣，圓環(huán)與中心盤通過設置在圓環(huán)形載體上的水力擋板和連接桿連接，圓環(huán)形載體上的水力擋板與連接桿依次間隔設置；所述的中心盤上設有中心孔。
[0023]進一步地，所述的水力擋板為弧形，在圓環(huán)形載體上均勻布置；所述的連接桿上設有側枝，所述的側枝上設有突刺。
[0024]進一步地，所述的水處理填料的長度為1cm;所述的圓環(huán)形載體的制作材料為POM塑料，所述圓環(huán)的直徑為12cm，圓環(huán)上的壓扣數量為12個；所述的中心孔直徑為0.4cm ;所述的繩子為不銹鋼鋼絲繩，所述的硬質塑料管內徑大于繩子的直徑，硬質塑料管的外徑大于中心孔的直徑,長度為3-5cm ;每條繩子上串連的填料單體的個數為3-10個。
[0025]上述的一種水處理填料裝置在有機染料廢水、制藥廠廢水、造紙廢水、生活污水、水廠原水的凈化領域的應用。
[0026]3.有益效果
[0027]相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為:
[0028](I)本發(fā)明首先將碳纖維原絲用去離子水預處理，然后用加有磷酸二氫銨的硝酸溶液浸泡，再烘干煅燒，得到改性活性碳纖維，改性后的活性碳纖維絲，其比表面積約增大了 1.5倍，表面含氧基團增加約2.5倍，微生物親和性增強，能更好地為各類微生物生長、繁殖提供著生條件，掛膜速率和掛膜量最大可分別提高67%和49%，可更好的吸收、吸附水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物；
[0029](2)本發(fā)明中的水處理填料載體為POM塑料，其本身是一種簡單填料，且載體上具有弧形的擋板，可在水流的推動作用下慢速旋轉，增強活性碳纖維絲與水的接觸，使掛膜更加密實均勻，提高了活性碳纖維絲的利用率和吸附效果，在有機物的去除效果上，有弧形擋板的填料體較無擋板的填料體處理效率提高4.7% -9.8% ;
[0030](3)本發(fā)明中的串狀水處理填料可以根據水質特性增加或者減少填料單體和硬質塑料管的個數，便于控制填料單體之間的垂向數量和上下層密度，操作方便，經濟實用；
[0031](4)本發(fā)明的改性活性碳纖維絲及用作水處理填料的方法環(huán)境友好，使用方便，凈水效果好，可廣泛應用于有機染料廢水、制藥廠廢水、造紙廢水等污水處理工程以及生活污水、水廠原水的凈化等，同時本發(fā)明方法簡單易行，效率高，擁有廣泛的應用前景；
[0032](5)本發(fā)明的水處理填料結構簡單，設計合理，易于制造，可采用工廠化統(tǒng)一加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為填料單體的結構示意圖；
[0034]圖2為水處理填料裝置的使用狀態(tài)圖。
[0035]圖中:1、水處理填料；2、水力擋板；3、中心盤；4、圓環(huán)形載體；5、填料單體；6、繩；8、固定支架；9、硬質塑料管；10、圓環(huán)；11、連接桿；12、中心孔。

【具體實施方式】
[0036]下面結合具體實施例對本發(fā)明進一步進行描述。
[0037]實施例1
[0038]將PAN基碳纖維絲先在去離子水中煮沸浸泡2.5h并不斷攪拌；然后移至常溫去離子水中浸泡3h并不斷攪拌，接著用大量去離子水清洗以去除雜質，清洗結束后將PAN基碳纖維絲置于120°C下烘干10h，得到預處理后的活性碳纖維絲；用去離子水稀釋質量分數為65%的分析純硝酸得到濃度為0.15mol/L的硝酸溶液，然后將得到的預處理后的活性碳纖維絲浸入0.15mol/L的硝酸溶液中，按磷酸二氫銨(質量濃度為99%，分析純)與硝酸的摩爾濃度比為10:15加入磷酸二氫銨并攪拌，浸泡12h后取出加熱烘干10h，然后在通N2保護的條件下煅燒0.8h，煅燒溫度為560°C，煅燒結束后于95°C保溫lh，然后自然冷卻至室溫得到改性活性碳纖維絲。
[0039]經本實施例中的方法改性后的PAN基碳纖維絲比表面積平均增加約1.5倍，微生物親和性增強，能更好地為各類微生物生長、繁殖提供著生條件，掛膜速率和均勻掛膜量分別提高了 35%和30%，可更好的吸收、吸附水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物。
[0040]實施例2
[0041]如圖1和圖2所示，一種水處理填料裝置，包括填料單體5、鋼絲繩6、固定支架8和硬質塑料管9，鋼絲繩6 —端固定在固定支架8上，填料單體5串連在鋼絲繩6上，每條鋼絲繩6上串連10個填料單體5，每兩個填料單體5之間用硬質塑料管9隔開；填料單體5由水處理填料I和圓環(huán)形載體4組成，水處理填料I為實施例1中改性后的PAN基碳纖維絲，長度為1cm,將其對折后的一端夾在圓環(huán)形載體4內部固定；圓環(huán)形載體4的制作材料為POM塑料，由兩個圓盤組成，圓盤的中心部位設有中心盤3，外側為圓環(huán)10，其直徑為12cm，圓環(huán)10上設有壓扣，數量為12個，用于扣緊兩個圓環(huán)10從而固定水處理填料I，中心盤3與圓環(huán)10通過三個水力擋板2和三個連接桿11連接，水力擋板2為弧形，在平面上的夾角為120°，與連接桿11依次間隔設置，三個連接桿11上設有側枝，側枝上設有突刺；中心盤3上設有中心孔12，中心孔直徑為0.4cm，硬質塑料管9的內徑大于鋼絲繩6的直徑，外徑大于中心孔12的直徑，長度為5cm。
[0042]用水泵將某企業(yè)產生的生產污水通入掛有上述水處理填料的污水池中，串狀填料在固定支架8上的平面橫向距離相隔均為40cm，縱向距離為15cm，污水池尺寸為14m*3.6m*1.25m(長*寬*高)，未經處理的污水的進水COD濃度為960_1210mg/L，經一段時間運行后，處理效果穩(wěn)定，連續(xù)一周測得經上述水處理填料處理后的出水COD濃度81-98mg/L，處理效率最高達91.9%，一周的處理效率平均為89.6%。經比較，在有機物的去除效果上使用有弧形擋板的POM塑料載體較使用無擋板的POM塑料載體處理效率提高9.8%。
[0043]實施例3
[0044]PAN基碳纖維絲的改性方法同實施例1，所不同的是:步驟(b)中的浸泡時間為2h ;步驟(f)中的煅燒溫度為570°C，煅燒時間為0.5h，保溫溫度為92°C ;步驟(e)中的硝酸溶液濃度為0.20mol/L，將質量分數為68%的分析純級硝酸用去離子水稀釋得到。
[0045]經本實施例中的方法改性后的PAN基碳纖維絲比表面積平均增加約0.9倍，微生物親和性增強，能更好地為各類微生物生長、繁殖提供著生條件，掛膜速率和均勻掛膜量分別提高36%和42%，可更好的吸收、吸附水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物。
[0046]將上述改性后的PAN基碳纖維絲應用于實施例2中所述的一種水處理填料裝置，所不同的是硬質塑料管9的長度為4cm ;每條繩子6上串連的填料單體5的個數為10個。將該水處理填料裝置用于處理某企業(yè)產生的工藝污水，串狀填料在固定支架8上的平面橫向距離相隔均為40cm，縱向距離為12cm，污水池尺寸為18m*3.8m*1.6m(長*寬*高)，未經處理的污水的進水COD濃度為1100-1180mg/L，經一段時間運行后，處理效果穩(wěn)定后測得經上述水處理填料處理后的出水COD濃度140?180mg/L，處理效率最高達86.8%，一周的處理效率平均為84.5%。經比較，在有機物的去除效果上使用有弧形擋板的POM塑料載體較使用無擋板的POM塑料載體處理效率提高5.6%。
[0047]實施例4
[0048]PAN基碳纖維絲的改性方法同實施例1，所不同的是:步驟(b)中的浸泡時間為2.5h ;步驟(f)中的煅燒溫度為580°C，煅燒時間為0.7h，保溫溫度為98°C ;步驟(e)中的硝酸溶液濃度為0.18mol/L，將質量分數為65%?68%的分析純級硝酸用去離子水稀釋得到。
[0049]經本實施例中的方法改性后的PAN基碳纖維絲比表面積平均增加約1.2倍，微生物親和性增強，能更好地為各類微生物生長、繁殖提供著生條件，掛膜速率和均勻掛膜量分別提高49%和31%，可更好的吸收、吸附水中溶解態(tài)和懸浮態(tài)污染物。
[0050]將上述改性后的PAN基碳纖維絲應用于實施例2中所述的一種水處理填料裝置，所不同的是硬質塑料管9的長度為5cm ;每條繩子6上串連的填料單體5的個數為3個。將該水處理填料裝置用于處理某企業(yè)產生的工藝污水，串狀填料在固定支架8上的平面橫向距離相隔均為30cm,縱向距離為15cm,污水池尺寸為6m*3m*l.2m(長*寬*高)，未經處理的污水的進水COD濃度為920-1030mg/L，經一段時間運行后，處理效果穩(wěn)定，連續(xù)一周測得經上述水處理填料處理后的出水COD濃度130-220mg/L，處理效率最高達83.5%，一周的處理效率平均為80.3%。經比較，在有機物的去除效果上使用有弧形擋板的POM塑料載體較使用無擋板的POM塑料載體處理效率提高4.7%。
【權利要求】
1.一種活性碳纖維絲的改性方法，其步驟為: (a)將活性碳纖維絲浸入去離子水中，加熱煮沸并不斷攪拌； (b)將步驟(a)中煮沸后得到的活性碳纖維絲用常溫去離子水浸泡并不斷攪拌； (C)用去離子水沖洗經步驟(b)處理后的活性碳纖維絲，得到干凈的活性碳纖維絲； (d)將步驟(C)中得到的干凈的活性碳纖維絲烘干，得到預處理后的活性碳纖維絲； (e)將步驟(d)中得到的預處理后的活性碳纖維絲浸入硝酸溶液中，然后往硝酸溶液中加入磷酸二氫銨，浸泡后取出； (f)將步驟(e)中得到的經硝酸和磷酸二氫銨溶液浸泡后的活性碳纖維絲烘干，然后在氮氣保護條件下煅燒，煅燒后保溫，最后得到改性的活性碳纖維絲。
2.根據權利要求1所述的一種活性碳纖維絲的改性方法，其特征在于:所述的活性碳纖維絲為PAN基碳纖維絲。
3.根據權利要求1所述的一種活性碳纖維絲的改性方法，其特征在于:所述的步驟(a)中煮沸時間為2.5h。
4.根據權利要求1所述的一種活性碳纖維絲的改性方法，其特征在于:所述的步驟(b)中的浸泡時間為2-3h。
5.根據權利要求1所述的一種活性碳纖維絲的改性方法，其特征在于:所述的步驟(d)和步驟(f)中的烘干溫度為120°C，烘干時間大于10h，步驟(f)中的煅燒溫度為560-580°C，煅燒時間為0.5?0.8h，步驟(f)中的保溫溫度為95°C ±3°C。保溫時間為lh，然后自然冷卻至室溫得到改性的活性碳纖維絲。
6.根據權利要求1所述的一種活性碳纖維絲的改性方法，其特征在于:所述的步驟(e)中的硝酸溶液濃度為0.15?0.20mol/L，將質量分數為65%?68%的分析純級硝酸用去離子水稀釋得到；磷酸二氫銨與硝酸的摩爾濃度比為10:15，將質量分數> 99%的分析純級磷酸二氫銨加入到0.15?0.20mol/L的硝酸溶液得到。
7.—種水處理填料裝置，包括填料單體(5)、繩子￠)、固定支架(8)和硬質塑料管(9)，其特征在于:所述的繩子(6) —端固定在固定支架(8)上，所述的填料單體(5)串連在繩子(6)上，每兩個填料單體(5)之間用硬質塑料管(9)隔開；所述的填料單體(5)由水處理填料(I)和圓環(huán)形載體(4)組成，所述的水處理填料(I)為權利要求1中得到的改性活性碳纖維絲，改性活性碳纖維絲對折后夾在圓環(huán)形載體(4)內部固定；所述的圓環(huán)形載體(4)由兩個圓盤組成，所述的圓盤的中心部位設有中心盤(3)，外側為圓環(huán)(10)，所述的圓環(huán)(10)上設有壓扣，圓環(huán)(10)與中心盤(3)通過設置在圓環(huán)形載體(4)上的水力擋板(2)和連接桿(11)連接；圓環(huán)形載體⑷上的水力擋板(2)與連接桿(11)依次間隔設置；所述的中心盤(3)上設有中心孔(12)。
8.根據權利要求7所述的一種水處理填料裝置，其特征在于:所述的水力擋板(2)為弧形，在圓環(huán)形載體(4)上均勻布置；所述的連接桿(11)上設有側枝，所述的側枝上設有突刺。
9.根據權利要求7所述的一種水處理填料裝置，其特征在于:所述的水處理填料(I)的長度為1cm;所述的圓環(huán)形載體(4)的制作材料為POM塑料，所述圓環(huán)(10)的直徑為12cm,圓環(huán)(10)上的壓扣數量為12個；所述的中心孔(12)的直徑為0.4cm ;所述的繩子(6)為不銹鋼鋼絲繩；所述的硬質塑料管(9)內徑大于繩子(6)的直徑，硬質塑料管(9)的外徑大于中心孔(12)的直徑，長度為3-5cm;每條繩子(6)上串連的填料單體(5)的個數為3-10個。
10.權利要求7所述的一種水處理填料裝置在有機染料廢水、制藥廠廢水、造紙廢水、生活污水、水廠原水的凈化領域的應用。
【文檔編號】C02F3/00GK104437376SQ201410707241
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權日:2014年11月27日
【發(fā)明者】張毅, 王偉民, 王偉, 朱偉, 吳京, 唐秋萍, 李秀霞 申請人:環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所