活性炭纖維的應(yīng)用

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1、活性炭纖維的制備與應(yīng)用進(jìn)展摘要：活性炭纖維（ACF）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種性能優(yōu)于粉末活性炭和粒狀活性炭的新型吸附材料。該材料的特性有：孔徑分布窄、微孔豐富、具有大的比表面積、獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)和吸附脫附速度快等。正是由于這些特性，近年來活性炭纖維得到了迅速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文主要介紹了活性炭纖維的制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能及其實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：活性炭纖維（ACF）；制備；性能；應(yīng)用。1引言活性炭纖維(ActivatedCarbonFiber,簡(jiǎn)稱ACF)是繼粉狀活性炭(PAC)和顆?；钚蕴?GAC)以后的第三代產(chǎn)品，是在20世紀(jì)60年代逐漸發(fā)展起來的新型活性炭。

2、ACF主要分為粘膠基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯腈基ACF、瀝青基ACF等。ACF與以往的活性炭相比,比表面積大,含量豐富的微孔占總體積的90%左右,孔徑分布狹窄且均勻,微孔孔徑大多在1nm左右,沒有大孔和過渡孔,吸附、脫附速度快、可塑性和再生性強(qiáng)。ACF表面有各種官能團(tuán),對(duì)于金屬離子、某些有機(jī)物及某些氣體有很好的選擇性吸附功能,是一種新型的高效吸附劑。2活性炭纖維的制備活性炭在工程中應(yīng)用會(huì)在吸附層中出現(xiàn)松動(dòng)和溝槽，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)吸附層過分密實(shí)，導(dǎo)致流體阻力增加從而影響正常操作。為了提高吸附效果人們嘗試將粉狀活性炭或細(xì)?；钚蕴空掣皆谟袡C(jī)纖維上或灌入空心的有機(jī)纖維中，制成纖維狀活性炭，

3、但效果不理想，于是人們后來開始探索用有機(jī)纖維為原料制備活性炭。2.1活性炭纖維的原料來源目前用于制造ACF纖維的原料除了瀝青纖維、聚丙烯睛纖維、粘膠纖維(再生纖維素)、酚醛纖維外，還出現(xiàn)了如苯乙烯/烯烴共聚物，聚偏二氯乙烯，聚酸亞氨纖維、木質(zhì)纖維和一些天然纖維等。前四種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并付諸工業(yè)化。不同的原料纖維有不同的生產(chǎn)工藝，制成的ACF的性能也有所不同。不同原料生產(chǎn)的ACF的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表2-1所示[1-3]10表2-1不同原料生產(chǎn)的ACF的主要優(yōu)缺點(diǎn)種類主要優(yōu)缺點(diǎn)瀝青基原料低廉，產(chǎn)品收率高，但雜質(zhì)含量高，不易制得，連續(xù)長(zhǎng)絲，深加工困難，強(qiáng)度低聚丙烯腈基結(jié)構(gòu)中含有S、N化

4、合物，有催化劑作用，吸附性能好，工藝簡(jiǎn)單成熟，但比表面積較小，成木高粘膠基原料低廉.制成品比表面積大.吸附性能好，但產(chǎn)品收率低，強(qiáng)度低，生產(chǎn)工藝復(fù)雜酚醛基原料低廉.耐熱，不需要進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)品收率高，比表面積大，工藝簡(jiǎn)單2.2活性炭纖維的預(yù)處理與制備方法生產(chǎn)活性炭纖維的工藝根據(jù)前驅(qū)體材料的不同有所不同，但所有的前驅(qū)體材料都要經(jīng)過預(yù)處理、碳化、活化而成，原材料首先經(jīng)預(yù)處理成為可碳化纖維，再進(jìn)一步經(jīng)碳化和活化成為活性炭纖維制品[4]。預(yù)處理：即穩(wěn)定化處理，主要目的是使纖維不融化，在碳化和活化的高溫過程中保持纖維原形。主要有鹽浸漬和預(yù)氧化兩種方式[3,5,6]。鹽浸漬是將原料纖維充分浸

5、漬在鹽(磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等)溶液中，然后使其干燥。該法用在粘膠基ACF生產(chǎn)中，與直接進(jìn)行炭化或活化的相比，既可提高收率，同時(shí)其纖維力學(xué)和吸附性能也得到改善，預(yù)氧化處理一般采用空氣預(yù)氧化的方法，原料纖維在一定的溫度范圍內(nèi)，緩慢預(yù)氧化一定時(shí)間，或者按照一定升溫程序升溫預(yù)氧化。碳化:碳化是生產(chǎn)活性炭纖維的重要環(huán)節(jié)。炭化是在惰性氣體(如氮?dú)饣驓鍤獾?環(huán)境下于800～1000℃對(duì)纖維進(jìn)行熱處理，排除大部分非碳成分，形成具有類似石墨微晶結(jié)構(gòu)的炭化纖維?；罨窃诟邷叵掠醚趸詺怏w刻蝕炭化纖維，使所得ACF具有理想的微孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積。活化:是指碳化纖維經(jīng)活化劑處理后，產(chǎn)生大量的空隙

6、，并伴隨著比表面積的增大和重量損失，同時(shí)形成一定量的活性基團(tuán)的過程。活化條件和程度影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。影響活化的主要因素有：活化劑種類、活化溫度、活化時(shí)間、活化劑濃度。以丙烯烴系、瀝青系為例，圖1、圖2分別介紹了丙烯烴系、瀝青系A(chǔ)CF制造工藝流程。10圖1丙烯烴系活化碳纖維的制造工藝流程煤焦油精制、蒸餾、縮聚反應(yīng)紡絲用瀝青熔融紡絲瀝青纖維不熔化處理不熔性瀝青纖維活化活化碳纖維CO2H2OHCL氣體惰性氣體氯化黑化纖維碳化前體（ＰＡＮ）活化活化碳纖維碳纖維圖2瀝青系活化碳纖維的制造工藝流程3活性炭纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維經(jīng)活化后，原纖維的結(jié)構(gòu)被破壞，局部形成類石墨微晶，碳原子以亂層

7、堆疊的類石墨微晶片層形式存在:由于微晶片層在二維空間的有序性較差，平均尺寸非常小[7]，同時(shí)碳化及活化過程形成的結(jié)構(gòu)缺陷，所以構(gòu)筑了ACF相互交織的微孔網(wǎng)絡(luò)[8-9]。103.1活性炭纖維的微觀結(jié)構(gòu)ACF以其表面大量的不飽和碳構(gòu)筑成了獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，它是一種典型的微孔炭，被認(rèn)為是“超微粒子、表面不規(guī)則的構(gòu)造以及極狹小空間的組合”[10]。其含有的許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)(雜環(huán)結(jié)構(gòu))或含有表面官能團(tuán)的微結(jié)構(gòu)，具有極大的表面積，也就造就了微孔相對(duì)孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場(chǎng)，提供一個(gè)吸附態(tài)