碳纖維成水質淨化小能手 有望走上自主產業化之路

碳以多種形式廣泛存在於大氣、地殼和生物體之中，絕大多數的生物體分子中都含有碳元素，它是最常見的元素之一。人類很早就發現並開始利用碳單質，碳的化合物——有機物更是生命產生的重要物質基礎。

碳纖維（簡稱CF），是一種含碳量很高的無機高分子纖維材料。片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌，然后經過碳化及石墨化處理便得到了碳纖維。它“外柔內剛”，耐腐蝕，質量很輕、強度卻比鋼鐵還高，兼備碳材料強抗拉力和紡織纖維柔軟可加工的特性，是重要的國防軍工和民用材料。

碳纖維物理和化學性能出類拔萃

碳纖維具有許多優良的物理、化學性能。同鋼、鋁、鈦等其他金屬材料相比，具有強度大、模量高、密度小、線膨脹系數小等諸多特點，是當之無愧的“新材料之王”，屬於技術密集型的新型材料。碳纖維可加工成各種織物，沿纖維軸線方向強度很高。碳纖維耐高溫、也耐低溫，在不接觸空氣和氧化劑的情況下能夠承受幾千度以上的高溫，在液氮溫度下也不發生脆化。

在化學性質方面，碳纖維的耐蝕性出類拔萃，在一般的有機溶劑、酸、鹼中不溶不脹，完全沒有生鏽的問題，還具有耐油、抗輻射和放射、能夠吸收有毒氣體等特性。可以說，幾乎沒有其他材料像碳纖維一樣具備如此多的優異性能。

碳纖維可應用於水質淨化

在世界發展高速現代化和科技化的大環境下，碳纖維作為一種新興優質材料，其用途不斷趨向多樣化，可廣泛應用於飛機、導彈、火箭、衛星、汽車、紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等方面，而且還是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資。

目前，隨著生活水平的不斷提高，人們更加注重水環境質量的改善和環境風險防控，碳纖維以其具有超大的比表面積和吸附容量，在水質淨化方面將發揮重要作用。其原因在於，CF吸附和解吸速率快，機械強度高，再生條件溫和，經適當活化和表面改性后，能進一步增大比表面積、提高生物親和性，可做為微生物的載體用於水質淨化。

其淨化水質機理為：碳纖維中的碳原子，吸收外部紅外或者微波能量后被激活，或者在聲波影響下激活好碳素菌與其他微生物，周圍的多種微生物也會受其影響，快速吸附到碳纖維上，並且迅速大量繁殖，這樣就形成了有粘著性的生物膜，繼而成為穩定的碳纖維生態基。微生物膜固著於碳纖維表面，上面的微生物便能夠有效降解污染水體中的有機物，以達到水質淨化的目的。

碳纖維生態基是利用碳纖維特殊性能制成的水質淨化產品，也是一種以碳纖維為核心載體的生態基技術。通過對碳纖維材料進行活化、表面改性及水溶膠特殊處理，其成為利於水體微生物生長的人工生態水草，對水中微量、痕量污染物都具有不錯的去除效果，可以結合浮島技術、污水處理系統等應用於水質恢復和水生態環境治理。一般的活性碳纖維生態基使用壽命可達到數十年，不用更換和維護。

碳纖維市場廣闊，中國有望走上自主產業化之路

據《經濟日報》報道，預計到2020年，全球碳纖維需求可達到13萬噸/年。長期以來，世界碳纖維的核心技術主要掌握在日、美等發達國家手中，並且在國外有大規模生產，如東麗、東邦、三菱、SGL等公司。國外對碳纖維行業實施的嚴格技術封鎖及國外碳纖維行業領先企業進入中國，都給中國本土碳纖維企業的發展造成了壓力，限制了國產碳纖維產品在高端領域的應用。不過，隨著近年來國內對碳纖維的需求量日益增長，中國正加大對碳纖維行業的引導和扶持力度。

隨著應用市場的不斷開發和產業技術的日趨成熟，碳纖維材料的發展將進入全新的時代。近年來，中國突破日本管制封鎖，研制出高性能碳纖維，打破了依賴進口的局面。目前，作為國內碳纖維領軍企業之一的恆神公司，年產碳纖維高達5000多噸，創造了多項國內第一。中國碳纖維行業的產業化發展，也將走上自主開發和引進相結合的道路。

作者：白露，中國科協科學技術傳播中心高級工程師

審稿專家：張遠，中國環境科學研究院水環境專家，水環境研究所副所長，2014年獲科技部中青年科技創新領軍人才，2016年獲中組部第二批萬人計劃領軍人才。