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碳纤维成水质净化小能手 有望走上自主产业化之路

作者:白露 发布日期:2017-09-20 10:01

   碳以多种形式广泛存在于大气、地壳和生物体之中,绝大多数的生物体分子中都含有碳元素,它是最常见的元素之一。人类很早就发现并开始利用碳单质,碳的化合物——有机物更是生命产生的重要物质基础。

  碳纤维(简称CF),是一种含碳量很高的无机高分子纤维材料。片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌,然后经过碳化及石墨化处理便得到了碳纤维。它“外柔内刚”,耐腐蚀,质量很轻、强度却比钢铁还高,兼备碳材料强抗拉力和纺织纤维柔软可加工的特性,是重要的国防军工和民用材料。
 
  碳纤维物理和化学性能出类拔萃
 
  碳纤维具有许多优良的物理、化学性能。同钢、铝、钛等其他金属材料相比,具有强度大、模量高、密度小、线膨胀系数小等诸多特点,是当之无愧的“新材料之王”,属于技术密集型的新型材料。碳纤维可加工成各种织物,沿纤维轴线方向强度很高。碳纤维耐高温、也耐低温,在不接触空气和氧化剂的情况下能够承受几千度以上的高温,在液氮温度下也不发生脆化。
 
  在化学性质方面,碳纤维的耐蚀性出类拔萃,在一般的有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,完全没有生锈的问题,还具有耐油、抗辐射和放射、能够吸收有毒气体等特性。可以说,几乎没有其他材料像碳纤维一样具备如此多的优异性能。
 
  碳纤维可应用于水质净化
 
  在世界发展高速现代化和科技化的大环境下,碳纤维作为一种新兴优质材料,其用途不断趋向多样化,可广泛应用于飞机、导弹、火箭、卫星、汽车、纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等方面,而且还是发展国防军工与国民经济的重要战略物资。
 
  目前,随着生活水平的不断提高,人们更加注重水环境质量的改善和环境风险防控,碳纤维以其具有超大的比表面积和吸附容量,在水质净化方面将发挥重要作用。其原因在于,CF吸附和解吸速率快,机械强度高,再生条件温和,经适当活化和表面改性后,能进一步增大比表面积、提高生物亲和性,可做为微生物的载体用于水质净化。
 
  其净化水质机理为:碳纤维中的碳原子,吸收外部红外或者微波能量后被激活,或者在声波影响下激活好碳素菌与其他微生物,周围的多种微生物也会受其影响,快速吸附到碳纤维上,并且迅速大量繁殖,这样就形成了有粘着性的生物膜,继而成为稳定的碳纤维生态基。微生物膜固着于碳纤维表面,上面的微生物便能够有效降解污染水体中的有机物,以达到水质净化的目的。
 
  碳纤维生态基是利用碳纤维特殊性能制成的水质净化产品,也是一种以碳纤维为核心载体的生态基技术。通过对碳纤维材料进行活化、表面改性及水溶胶特殊处理,其成为利于水体微生物生长的人工生态水草,对水中微量、痕量污染物都具有不错的去除效果,可以结合浮岛技术、污水处理系统等应用于水质恢复和水生态环境治理。一般的活性碳纤维生态基使用寿命可达到数十年,不用更换和维护。
 
  碳纤维市场广阔,中国有望走上自主产业化之路
 
  据《经济日报》报道,预计到2020年,全球碳纤维需求可达到13万吨/年。长期以来,世界碳纤维的核心技术主要掌握在日、美等发达国家手中,并且在国外有大规模生产,如东丽、东邦、三菱、SGL等公司。国外对碳纤维行业实施的严格技术封锁及国外碳纤维行业领先企业进入中国,都给中国本土碳纤维企业的发展造成了压力,限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。不过,随着近年来国内对碳纤维的需求量日益增长,中国正加大对碳纤维行业的引导和扶持力度。
 
  随着应用市场的不断开发和产业技术的日趋成熟,碳纤维材料的发展将进入全新的时代。近年来,中国突破日本管制封锁,研制出高性能碳纤维,打破了依赖进口的局面。目前,作为国内碳纤维领军企业之一的恒神公司,年产碳纤维高达5000多吨,创造了多项国内第一。中国碳纤维行业的产业化发展,也将走上自主开发和引进相结合的道路。
 
  作者:白露,中国科协科学技术传播中心高级工程师
 
   审稿专家:张远,中国环境科学研究院水环境专家,水环境研究所副所长,2014年获科技部中青年科技创新领军人才,2016年获中组部第二批万人计划领军人才。
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来源:人民网-科普中国 编辑:李楠