生物活性碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术生物活性碳纤维及其制备方法涉及用于固着微生物的活性碳纤维及其制备方法，该生物活性碳纤维不含金属化合物、平衡含水率≥２０％、抗张强度≥１５０ＭＰａ、本体含氧量为２．８％－２５％。它是将原料经过不熔化处理、炭化处理、活化处理制得。不熔化处理的升温速率为０．５－２℃／分钟，得到平衡含水率为４．２－１０．５％、氧含量为３．１－１６．２％（重量）的不熔化纤维或制品；炭化处理在３００－１１００℃温度条件下，炭化升温速率为８０－１６０℃／分钟；活化处理在８００－９５０℃温度条件下，活化时间为５－６０分钟；活化促进剂为脂肪酸，浸渍时用超声波处理。该生物活性碳纤维具有优异的生物相容性能，可作微生物固着化载体材料。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于固着微生物的活性碳纤维及其制备方法。本专利技术制备的生物活性碳纤维可以作为固定微生物的载体用于水污染治理、生化反应、食品发酵等方面。活性碳作为吸附材料早已在净化水、净化空气、化学防护等方面使用。用于固着微生物是近年来发展起来的一种技术，已在世界上一些国家应用。活性碳虽然可作为微生物固着载体使用。但活性碳再生困难，且粒状活性碳在使用过程中易造成堵塞，粉状活性碳易造成二次污染，使其应用受到限制。活性碳纤维(ACF)是在20世纪70年代开发并实现工业化生产的一种高效吸附材料，它具有独特的化学、物理结构，尤其是具有优异的吸附性。作为吸附材料活性碳纤维及其系列产品已经得到了广泛的应用，特别是作为新型高效吸附材料在回收有机溶剂、净化水、净化空气、化学防护、高效电容和各种电极材料等方面的应用更是与日俱增。活性碳纤维与颗粒或粉状活性碳虽然同是碳材料，但活性碳纤维和活性碳在表面形态，孔结构等方面差异极大，主要表现在活性炭纤维表面由狭长且孔径较均一的微孔组成，活性炭表面则主要由外部带有过渡大孔而内部为微孔的孔组成，因此导致它们的吸附特性有很大差别。目前制造活性碳纤维(ACF)的原料纤维主要有聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维或粘胶纤维。聚丙烯腈共聚纤维组成中除了丙烯腈单体外还含有10(重量％)以下的一种或多种共聚物丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、羟烷基丙烯腈、羟烷基丙烯酸及其酯类、丙烯酰胺、甲叉丁二酸、甲基丙烯酰胺、丙烯醛、甲基丙烯醛烯丙基氯、二丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯基丙酮或乙烯基砒咯烷酮等。聚丙烯腈共聚纤维可采用干法、湿法或干湿法纺制。沥青纤维采用熔融法纺制。粘胶纤维采用湿法纺制。这些纤维一束丝内单丝孔数为0.1-40万，单丝纤度为0.5-4.0旦。原料纤维或它们的纤维制品(毡、布、带或纸，其厚度为0.2-30毫米)，在200-280℃的热处理装置炉内在空气气氛下进行不熔化处理。对不熔化处理纤维或制品经过浸渍活化促进剂并干燥后，再经过≤1200℃的氮气气氛的保护下进行炭化处理。而后在水蒸气-氮气气氛与500-1000℃下进行活化处理得到比表面积≥800m2/g的活性碳纤维。通常聚丙烯腈、沥青基不熔化纤维活化处理的活化促进剂有羟胺、苯甲酸或无机酸等。对于粘胶基的不熔化纤维的活化促进剂有磷系化合物如磷酸氢二胺、磷酸氢胺、磷酸胺或磷酸等。浸渍量为0.01％-10％(重量)，普通活性碳纤维由于没有考虑生物相容性需求，为提高吸附有害气体的能力，常常在炭化处理前进行浸渍处理时加入金属化合物。如《繊状維状活性炭の製造》(特開平6-339629)公开了为增加活性碳纤维吸附硫化物的效果在纤维中加入了KMnO4和KIO3的技术，虽然增加了脱硫效果，但是由于纤维表面含有金属元素，这些活性碳纤维通常不适宜做生物载体材料使用。再有，活性碳纤维常用于饮用水处理吸附有害物质，为预防细菌等微生物在活性碳纤维上繁衍，通常使用含银以及其他金属的活性碳纤维。然而由于这些金属特别是碱金属具有灭菌作用，因此不能满足微生物固着化的需求，不适宜用于微生物固着使用。活性碳纤维作为生物载体及其对该材料表面特性应具有的特殊要求至今还没有见报道。本专利技术的主要技术方案本专利技术生物活性碳纤维是比表面积≥800m2/g、不含金属化合物、平衡含水率≥20％、抗张强度≥150MPa、本体含氧量为2.8％-25％的活性碳纤维。本专利技术生物活性碳纤维的制备方法与现有的活性碳纤维制备方法一样都是采用原料纤维为聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维或粘胶纤维。将原料纤维或它的纤维制品(毡、布、带或纸，其厚度为0.2-30毫米)在热处理装置炉内，在空气气氛下进行不熔化处理，再将不熔化纤维或制品在氮气气氛的保护下进行炭化处理，而后在水蒸气-氮气气氛下进行活化处理得到活性碳纤维。所不同之处在于(1)不熔化处理的升温速率为0.5-2℃/分钟，得到平衡含水率为4.2％-10.5％、氧含量为3.1％-16.2％(重量)的不熔化纤维或制品；(2)炭化处理在300-1100℃条件下，炭化升温速率为80-160℃/分钟；(3)活化处理在800-950℃条件下活化时间为5-60分钟。不熔化纤维或制品在进行炭化、活化前用不含金属化合物的活化促进剂浸渍并干燥。活化促进剂为脂肪酸，浸渍量为0.05％-5.0％(重量)。活化促进剂脂肪酸为乙酸或丙酸。浸渍活化促进剂时采用频率为20-90KHz的超声波处理，处理时间为1-60秒。本专利技术的生物活性碳纤维不含金属化合物，它的比表面积、平衡含水率、抗张强度以及本体含氧量达到要求，其生物相容性优良，是一种综合性能优良的生物载体材料。本专利技术的生物活性碳纤维在制备过程中，原料纤维或它的制品在不熔化过程中由于纤维的热氧稳定化反应释放出大量的反应热，如果该过程的升温速率控制不当，极易造成纤维热反应过快导致活性碳纤维表面疏松产生堆积碳。通过控制不熔化处理的升温速率，能有效地阻止纤维热反应过程产生的过热现象。同时，控制不熔化纤维的平衡含水率在4.2％-10.5％，氧含量在3.1％-16.2％(重量)最好在9.5％±2％(重量)，可以有效地控制纤维氧化、环化反应进行的程度。从而获得符合微生物固着化用的生物活性碳纤维。在炭化活化阶段控制炭化升温速率在80-160℃/分钟，最好在100℃±10℃，在800-950℃下活化时间为5-60分钟。浸渍处理时所用的活化促进剂可以选用前述的除金属化合物之外的常用活化促进剂，本专利技术还提出用脂肪酸作活化促进剂，乙酸或丙酸这类脂肪酸是弱酸，能克服有机酸盐、无机酸盐类活化促进剂因含金属元素不利于微生物成长的弊病。另外，强酸、强碱也对设备有腐蚀，同时也不利于控制纤维表面酸碱性。在浸渍时采用超声波处理，处理时间为1-60秒。超声波频率＜20KHz时浸渍活化促进剂的效果不太显著，当超声波频率超声波频率＞90KHz时噪音过大，采用频率为20-90KHz超声波，最好为60KHz。从而可以获得平衡含水率≥20％，本体含氧量2.8％-25％，抗张强度≥150Mpa、比表面积≥800m2/g的综合性能优异的生物活性碳纤维。本专利技术中纤维本体氧含量采用元素分析仪测定。纤维平衡含水率测定方法为将各种载体材料放置于底部为硫酸铵饱和溶液的密闭容器中(相对湿度为65％)，16小时后取出迅速称重，记为W1，此后将其放入120℃的干燥箱内鼓风干燥2小时，移入下部装有硅胶的干燥器中，直至冷却(约为5分钟)，取出迅速称重，记为W0。平衡含水率以下式计算 本专利技术生物活性碳纤维与通常作为吸附材料用活性碳纤维相比较主要具有的特点在于1.不含金属尤其碱金属。2.表面含氧官能团充分且偏酸性。3.表面具有较多的极性亲水官能团。4.具有优异的力学性能。采用本专利技术提供的方法制备的生物用活性碳纤维是一种性能优良的微生物载体材料。而作为吸附用材料的活性碳纤维的比表面积通常应大于800m2/g，但在力学性能(如抗拉强度)、表面金属含量、表面极性与亲水性以及表面含氧官能团酸碱性方面并未要求，其综合性能不能满足作固着微生物载体的需求。通过本专利技术生物活性炭纤维与目前市售使用的多种有机高分子纤维、无机纤维及活性炭在微生物的固着化方面进行比较后发现，本专利技术的生物活性炭纤维的微生物的固着化速率大大高于高本文档来自技高网...

【技术保护点】
生物活性碳纤维是一种比表面积≥８００ｍ↑［２］／ｇ的碳纤维，其特征在于：它不含金属化合物、平衡含水率≥２０％、抗张强度≥１５０ＭＰａ、本体含氧量为２．８％－２５％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]