一种优良高效碳纤维生物膜载体改性方法技术

本发明专利技术公开了一种优良高效碳纤维生物膜载体改性方法。目的在于改善碳纤维作为生物膜载体材料的水处理性能。本发明专利技术的基础原料为碳纤维，主要改性方法包括以下方面：首先对碳纤维进行酸氧化处理，以保证碳纤维表面有足够的官能团为载铁做准备；然后以有机铁溶液为改性剂，采用液相浸渍法，对碳纤维进行表面改性，得到表面含铁元素的有机铁改性碳纤维生物膜载体材料。本发明专利技术制备方法简单易行，制得的有机铁改性碳纤维可保持碳纤维原有的优异性能，表面粗糙程度及亲水性显著提高，挂膜周期短，微生物活性提高，水处理所需时间少，COD、氨氮、总磷去除率明显提高，出水水质稳定性好，具有较高重复使用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及污水处理与材料
，尤其涉及一种碳纤维作为生物膜载体材料 的改性方法。
技术介绍
生物膜是复杂的微生物层嵌入到胞外聚合物基质，使微生物群落相交联而形成的 一种微环境，其附着的固体介质称为填料或载体。生物膜内的微生物将水中的有机物质分 解转换成能量，用于自身生长和繁殖，从而使水中有机物降解，达到水处理的目的。生物膜 的生长和繁殖是以生物膜载体为场所的，载体的性能直接影响生物膜的形成，从而影响生 物膜法处理污水的效果，因此，生物膜载体是生物膜工艺的重要核心部分。 铁是微生物体内多种酶的组分，是微生物氧化还原反应电子传递体系中一种必不 可少的电子载体，向微生物反应器内添加铁可以强化污水处理效果。Fe对微生物有一系列 积极影响，例如：铁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 料的挂膜速度及填料上附着的生物量，使微生物在载体上有较高的固着能力，可以进一步 提高处理效率；经过铁的化合物还具有一定的弱磁性，弱磁性可以提高微生物酶活性，从而 促进了有机物的降解。 CF具有良好的生物相容性、柔韧性、耐微生物分解及化学腐蚀、再生能力强等优异 性能，而且一般碳纤维所具有的高强度可以完全满足生物膜载体材料的要求，是一种比较 理想的生物膜载体材料，现已应用于实际水处理中。但碳纤维表面光滑，且表面亲水性差， 影响微生物附着、降低传质效率，因此，需对碳纤维进行表面处理，改善其作为生物膜载体 材料的性能。
技术实现思路
本专利技术公开了。目的在于改善碳纤维作 为生物膜载体材料的水处理性能，以克服目前存在的碳纤维表面亲水性差，表面过于光滑 的缺点。 鉴于铁对微生物的有益影响，本专利技术采用铁对碳纤维表面进行改性，经过大量实 验研宄证明，采用有机铁改性剂可以有效改善碳纤维的表面粗糙程度及亲水性，提高生物 膜活性，改善水处理性能。 本专利技术的基础原料为碳纤维，对其进行表面改性，主要包括以下方面：对碳纤维进 行酸氧化预处理，以有机铁为改性剂，采用液相浸渍法，制备有机铁改性碳纤维生物膜载体 材料。 本专利技术的技术方案如下： 步骤一：将碳纤维置于0. 01-3mol/L硝酸（HNO3)溶液内，进行酸氧化，浸渍时间为 2-25小时（h)，用以增加碳纤维表面官能团及表面活性，为附着有机铁做准备； 步骤二：将酸氧化后的碳纤维用去离子水冲洗至中性，烘干备用； 步骤三：配置0. 01-1. 5mol/L的碳纤维有机铁改性剂，将碳纤维束置于有机铁改 性剂中2-25h，采用液相浸渍法使碳纤维与草酸亚铁充分接触，温度范围是10-120°C ; 步骤四：将有机铁改性碳纤维束用去离子水冲洗至冲洗液无颜色，然后烘干，有机 铁已经附着在碳纤维表面，制得有机铁改性碳纤维生物膜载体。 进一步地，上述生物膜载体材料碳纤维表面的上浆剂已被脱除或表面未上浆。 进一步地，上述有机铁包括：草酸亚铁、柠檬酸铁、醋酸亚铁、乙醇铁等有机铁化合 物，通过液相浸渍，可以与碳纤维表面官能团发生反应，使铁元素以化合物的形式负载于碳 纤维表面。 进一步地，上述碳纤维有机铁改性采用液相浸渍法，可以辅以超声震荡，频率为 20-90HZ之间，超声震荡使碳纤维丝与有机铁溶液充分接触，并抑制有机铁的聚沉。 本专利技术的有益效果是：①本专利技术制备的有机铁改性碳纤维仍然保持碳纤维原有 的优良的生物相容性、柔韧性、高强度、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，且制备方法简单易行； ②本专利技术制备的有机铁改性碳纤维生物膜载体，表面粗糙程度及亲水性有所提高，促进微 生物的附着及生物膜的生长，提高传质效率，更有利于微生物挂膜，缩短微生物挂膜时间， 提高微生物负载量；③本专利技术制备的有机铁改性碳纤维生物膜载体，表面铁元素促使生物 膜系统具有更丰富的微生物种类、更高的微生物活性；④本专利技术制备的有机铁改性碳纤维 作为生物膜载体，生物膜系统COD、氨氮、总磷等去除率显著提高，出水水质均能达到国标 GB18918-2002 -级A排放标准，且出水水质稳定性；⑤本专利技术制备的有机铁改性碳纤维作 为生物膜载体，生物膜系统水处理所需时间减少，具有高效性，具有更高的重复使用率，具 有较好的经济效益。 具体实施方案 以下结合有机铁改性碳纤维生物膜载体制备过程对本专利技术进行进一步解释。 实施例1 步骤一：将碳纤维丝缠绕成束，置于含有0. lmol/L !^03溶液的大烧杯内，进行酸 氧化，浸渍时间为12h，用以增加碳纤维表面官能团及表面活性，为附着有机铁做准备； 步骤二：将酸氧化后的碳纤维用去离子水冲洗至中性，烘干备用； 步骤三：配置0. lmol/L草酸亚铁溶液碳纤维有机铁改性剂，室温条件下将碳纤维 束置于有机铁改性剂中24h，采用液相浸渍法使碳纤维与草酸亚铁充分接触； 步骤四：将草酸亚铁改性碳纤维束用去离子水冲洗至冲洗液无颜色，烘干，草酸亚 铁已经附着在碳纤维表面，制得草酸亚铁改性碳纤维生物膜载体。 所制得的草酸亚铁碳纤维表面静态接触角由原来的107°降为74°，碳纤维表面 亲水性得到显著改善。对草酸亚铁改性碳纤维生物膜载体进行序批式好氧挂膜实验，以未 改性碳纤维生物膜载体为对照试验，挂膜进水COD在900mol/L左右。挂膜启动一周左右后， 系统出水COD值达到58mol/L，去除率达到93 %，认为生物膜进入稳定期，测得系统最佳水 力停留时间为12-14h。 草酸亚铁改性碳纤维载体生物膜系统稳定运行2个月，监测系统的进、出水C0D、 氨氮、总磷，并计算C0D、氨氮、总磷的去除率。对所得数据求平均值，相关数据见表1。 表1.生物膜系统水处理情况【主权项】1. ，基础原料为碳纤维，对碳纤维表面改性， 其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：将碳纤维置于0. 01-2mol/L HNO3溶液内，进行酸氧化，浸渍时间为2-25小时 (h)，用以增加碳纤维表面官能团及表面活性，为附着有机铁做准备； 步骤二：将酸氧化后的碳纤维用去离子水冲洗至中性，烘干备用； 步骤三：配置浓度为0. 01-1. 5mol/L的碳纤维有机铁改性剂，将碳纤维置于有机铁改 性剂中2-25h，采用液相浸渍法，使碳纤维丝与有机铁充分接触，温度范围是10-120°C ; 步骤四：将有机铁改性碳纤维束用去离子水冲洗至冲洗液无颜色，烘干，有机铁已经附 着在碳纤维表面，制得有机铁改性碳纤维生物膜载体。2. 根据权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，碳纤维表面上胶已使用常规方法脱除 或表面未上胶。3. 根据权利要求1所述有机铁为草酸亚铁、柠檬酸铁、醋酸亚铁、乙醇铁等有机铁化合 物，其特征在于，通过液相浸渍，可以与碳纤维表面官能团发生反应，使铁元素以化合物的 形式负载于碳纤维表面。4. 根据权利要求1所述，碳纤维有机铁改性采用液相浸渍法，其特征在于，可以辅以超 声震荡，频率为20-90HZ之间，超声震荡使碳纤维丝与有机铁溶液充分接触，并抑制有机铁 的聚沉。【专利摘要】本专利技术公开了。目的在于改善碳纤维作为生物膜载体材料的水处理性能。本专利技术的基础原料为碳纤维，主要改性方法包括以下方面：首先对碳纤维进行酸氧化处理，以保证碳纤维表面有足够的官能团为载铁做准备；然后以有机铁溶液为改性剂，采用液相浸渍法，对碳纤维进行表面改性，得到表面含铁元素的有机铁改性碳纤维生物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优良高效碳纤维生物膜载体改性方法，基础原料为碳纤维，对碳纤维表面改性，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将碳纤维置于0.01‑2mol/L HNO3溶液内，进行酸氧化，浸渍时间为2‑25小时(h)，用以增加碳纤维表面官能团及表面活性，为附着有机铁做准备；步骤二：将酸氧化后的碳纤维用去离子水冲洗至中性，烘干备用；步骤三：配置浓度为0.01‑1.5mol/L的碳纤维有机铁改性剂，将碳纤维置于有机铁改性剂中2‑25h，采用液相浸渍法，使碳纤维丝与有机铁充分接触，温度范围是10‑120℃；步骤四：将有机铁改性碳纤维束用去离子水冲洗至冲洗液无颜色，烘干，有机铁已经附着在碳纤维表面，制得有机铁改性碳纤维生物膜载体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，姜祁，梁节英，
申请(专利权)人：北京化工大学常州先进材料研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32