活性炭纖維吸附及脫附技術研究

1、文檔收集于互聯(lián)網，已重新整理排版.word版本可編輯.歡迎下載支持.活性炭纖維吸附及脫附技術研究程萍(常州大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇常州213164)摘要：活性炭之后出現(xiàn)新一代的吸附材料：活性炭纖維，活性炭纖維的吸附力比顆?；钚蕴?高幾倍到幾十倍，吸附的速率也快到近1001000倍，具有比分布均勻、吸附速度快、雜質 少、表而積大、孔徑適中、等優(yōu)點。本文介紹了活性炭纖維的特征意義、制備技術、脫附技 術、發(fā)展趨勢和應用等方面。關鍵詞：活性炭纖維：制備方法：脫附技術：應用領域Study on Adsorption and Desorption of Activated CarbonFibersCH

2、ENG Ping(School of Environmental and Safety Engineering,ChangzhouUniversity,Changzhou 213164,China)Abstract： Activated carbon fiber is a new generation of adsorbent after activated carbon. Its adsorption capacity is several to several tunes higher than tliat of granular activated carbon and its adso

3、rption rate is 100-1000 times faster. It has the advantages of large surface area, moderate pore size, imifonn distribution, fast adsorption. Less advantages. In this paper, the characteristics of activated carbon fiber, preparation technology, desorption technology, development trends and applicati

4、ons.Key words:Actu ated carbon fiber; preparation means; desorption technology; application fields1 .活性炭纖維的特征意義1.1 活性炭纖維定義活性炭纖維(Activated Carbon Fibers簡稱ACF)是經過活化的含炭纖維，簡單地說它是將某種含碳纖維經過高溫活化，然后表面出現(xiàn)納米等級的孔徑，比表面積增加，物化特 性也隨之改變1.2 比傳統(tǒng)活性炭優(yōu)勢的體現(xiàn)傳統(tǒng)活性炭是通過活化處理的多孔炭，呈現(xiàn)顆粒狀或者粉末狀，活性碳纖維為纖維狀， 纖維上很多微孔，對于有機氣體，活性炭纖維的吸附力比傳統(tǒng)

5、活性炭在空氣中高幾倍至幾十 倍，水溶液中也高5到6倍，吸附速率快到100至1000倍。近20多年活性炭纖維才開始使 用，只有個別國家能生產它。它的原料可以是紙、布、絲等形式，它的市場價格比較高，40 萬/噸左右，（煤質活性炭價格1萬/噸左右，椰殼活性炭價格2萬/噸左右）。但它的制品成 本只略有提高是因為它的重量比較輕:咒根據(jù)它的超強吸附能力可用在工業(yè)上回收有機溶劑, 凈化用水和空氣。ACF具有比表而積大、孔徑適中、分布均勻、吸附速度快、雜質少等優(yōu)點； 被廣泛運用于工業(yè)、食品、空氣凈化、水處理、航空、軍事等行業(yè)。1.3 活性炭纖維的結構ACF微孔為主要孔，達到總體積90 %以上，無大孔過渡孔，孔

6、徑單分散而且小。ACF 的孔徑小，所以吸附分子進入微孔時被孔壁向內輻射的引力所握持，所以ACF不僅吸附量 大，而且吸附力強。它的微孔直接分布于纖維的表而，所以吸附時能夠直接與吸附質接觸， 吸附和解吸過程很短，因此有較高的吸附速率和解吸速率。ACF內碳元素量達到80席以上，主要由碳原子組成還有少量氧元素和氫元素，部分還 有少量N、S等雜原子?；钚蕴坷w維表面的碳和氧元素能結合形成一系列支配表面化學結 構的含氧官能團汕。1.4 活性炭纖維的特點比表而積大，一般可達1000到1500m：/g,吸附容量是粒狀活性炭的5到10倍。外表面 積大，吸脫附速度快，位粒狀活性炭的10到100倍，成本低，設備體積小

7、，強度較高，不 容易密實和粉化，也不會造成二次污染。純度高，可用于醫(yī)療衛(wèi)生和食品等工業(yè)。由于碳 含量高，耐高溫，在400以下正常使用。ACF吸附效率高，可以吸附重金屬和低濃度的有 害氣體。2 .活性炭纖維的制備技術2.1 預處理預處理主要分預氧化和鹽浸漬兩種。鹽浸漬顧名思義就是把原料纖維充分浸漬在鹽溶液 中，之后將其干燥。此方法比直接進行炭化或活化的既提高收率，同時也改善了其纖維力學 和吸附性能。預氧化處理一般采用空氣預氧化，原料纖維在一定的溫度范圍內，慢慢預氧化 一段時間，或按照一定升溫程序升溫預氧化。預氧化主要是防止纖維高溫炭化和活化的時 候發(fā)生熔融并絲。將預氧化和鹽浸漬處理相結合效果最佳

8、。2 . 2炭化炭化就是在N,等惰性氣體的環(huán)境下在8001000對纖維進行熱處理，然后除掉大部 分非碳的成分，最后形成有類似石墨微晶結構的炭化纖維。3 . 3活化活化是在高溫下用氧化性氣體刻蝕炭化纖維，使所得ACF具有理想的微孔結構和較高 的比表面積。活化的方法有化學活化法和氣體活化法。用于活化的氣體有C0：和0二等。水蒸 汽、二氧化碳和碳的反應是吸熱反應；氧和碳的反應是強放熱反應，難于控制反應溫度。3.活性炭纖維的脫附技術3.1 過熱蒸汽脫附再生利用吸附劑達到平衡后所吸附的介質在過熱蒸汽或空氣作用下進行熱解和氣提，從吸附 劑中解吸出去。再生效果通常與吸附質的性質，特別是揮發(fā)性有關。因為ACF

9、具有疏水性， 所吸附的有機成分有較好的揮發(fā)性.用一般的空氣或者過熱水蒸汽就能得到不錯的解吸效果。 而有些有機物含有特殊的官能團沸點較高，使其隨水蒸汽或空氣揮發(fā)的可能性?。哼€有某些 低分子醇，沸點低但是親水性強，也不易隨空氣或者水蒸氣揮發(fā)，所以為了有效脫除這類吸 附物，須用較高溫度的過熱水蒸汽或空氣根據(jù)熱分解和高溫揮發(fā)的雙重作用解吸再生，如 200-500 C的過熱水蒸汽等。但要值得注意的是：吸附完成后吸附劑還含有約45倍自身重量的水難以用機械或氣注意點：微波再生裝置一次性投資較高，但能耗較低，因此應在處理規(guī)模的基礎上進行 技術經濟綜合比較后采用。4 . 5其他脫附再生方法其他可用于活性炭纖維再

10、生的方法主要有有機溶劑再生、超臨界萃取、濕式氧化法等。 有機溶劑再生法是利用有機物相似相溶的原理，如對于含苯環(huán)或羥基醇類有機物可采用苯、 丙酮、甲醇等有機溶劑洗滌再生。由于廢水中污染組分復雜，再生后有機溶劑無法循環(huán)利用， 再生過程復雜、處理費用大，目前采用的不多。超臨界萃取是近年來發(fā)展的再生方法，主要 溶劑有C02、乙醇等，在臨界壓力和溫度下，對吸附飽和后的有機物進行萃取再生。該技術 目前尚不完善，再生過程穩(wěn)定性差。濕式氧化法是采用較高的溫度和壓力，利用氧氣或空氣 做介質，使有機物在液態(tài)下氧化成低分子有機酸、C02和水。該方法的主要問題是再生不徹 底、設備要求高、能耗大、控制系統(tǒng)嚴格等。5 .

11、國內外活性炭纖維發(fā)展趨勢5.1 國外活性炭發(fā)展趨勢世界ACF的工業(yè)化生產已從西方轉向中國等發(fā)展中國家，這種產業(yè)的轉移在21世紀中 期將持續(xù)進行。全球范闈內日漸嚴規(guī)使得ACF的需求進一步增長，水處理行業(yè)一直是活性炭 消費的巨大市場。其它需求增長較快的領域包括氣體處理市場，美國在此領域的消費量中期 內將增長5%。最大的潛在活性炭應用巾場是燃煤火電廠所排放氣體的凈化泄。由于人們對 可能的生化恐怖襲擊高度關注，核、細菌以及化學防護過濾器和個人防護服裝對活性炭的需 求也將逐步增加。5.2 國內活性炭發(fā)展趨勢我國一直是美國最大的活性炭輸出國，日本是世界活性炭使用僅次于美國的國家，位居 全球第2,日本也是我

12、國第1活性炭出口目的地。我國活性炭出口的3大地區(qū)除東亞、美國 之外，歐洲市場也是我國傳統(tǒng)的活性炭出口目的地。我國的活性炭發(fā)展目前有以下幾個特點: 生產規(guī)模大型化、生產設備大型化和現(xiàn)代化、產品多樣化、行能減排常態(tài)化、加強技術創(chuàng)新。6 .活性炭纖維的應用6.1 活性炭纖維在電子工業(yè)中的應用有些電子元件，如電阻型濕度檢測元件等，長期工作于被污染的環(huán)境中，電阻值與濕 度的相關性會發(fā)生變化，導致測量精度下降。若用ACF制作多孔吸濾罩將該元件保護起來, 則可避免上述問題，從而可以保持其檢測靈敏度。利用ACF的比表面積大，細孔孔徑適中、耐酸堿、導電性能及化學穩(wěn)定性好等特點，可 用于制造電池電極、電容器等電子

13、產品部件。具有存儲容量大、電導率高、在空氣中使用穩(wěn)定、體積密度小、可多次重復使用的特點。 尤其是雙層電容器，容量是普通鋁電解電容器的100萬倍，可用于一些小型的存貯永久性 電源。比表而積大的ACF還是捕集太陽光能的良好黑體，它的導熱率大，容易實現(xiàn)光能向熱 能的轉換，而且ACF比金屬輕得多，便于安裝和使用。此外，ACF在電極材料、駐電容器 等方而也有很大的應用潛力。6.2 活性炭纖維在氣體處理中的應用含硫廢氣的排放是造成大氣污染的主要原因之一，其中S02是危害最大、數(shù)量最多的 大氣污染物。ACF具有吸附轉化S02的獨特性能，對ACF脫硫性能的研究已經成為科研人 員廣泛關注的焦點。目前，具有較高的

14、脫硫活性的ACF主要是由聚丙烯般和各向同性瀝青 前驅體轉變成纖維后再活化制備的。ACF對空氣中的其他污染物如硫化氫、氮的氧化物、揮 發(fā)性有機化合物等也有很好的吸附作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，以ACF為吸附材料可高品質地從 有機尾氣中回收烷燃、烯燃、芳香燃、酮、醇、醛、鹵代燃等有機溶劑和氣體，尾氣中有機 物的回收率達98 %以上:6.3 活性炭纖維在水處理中的應用ACF用于處理生產廢水的目的是:除去BOD、COD、TOC、顏色、臭味、油、苯酚等，除 去妨礙生物處理的物質和生物難于分解的物質，除去汞及其他金屬，除去放射性核素，制 備再循環(huán)水。ACF對飲用水凈化有特殊功能，載銀的ACF具有很好的抗菌活性，可

15、用來軟化飲用水并 除去水中的細菌用ACF處理飲用水中的三氯甲烷，在相同的條件下，其吸附量和有效 吸附時間是柱狀活性炭的2倍。ACF還可用于工業(yè)廢水的處理。用ACF處理不同濃度的含酚有機廢水不僅吸附速度快 而且再生容易.ACF對金屬離子有較好的吸附能力，故可將其用來處理無機廢水。ACF還可 吸附水溶液中的Au3+ , Pt4+ , Fe3+并將其分別還原為Au, Pt2+ , Fe2+。6.4 活性炭纖維作為催化劑和催化劑載體應用ACF出色的耐熱性、耐酸堿性使之可以作為催化劑的有效成分。以ACF為載體的催化 劑對NO的催化還原作用比單一組分催化劑對NO的轉化率更高，溫度適應范圍廣，催化劑 壽命長

16、。ACF還可用來制備載體催化劑。ACF具有良好的導熱性能，摻入催化劑中，能有效地提 高催化劑的傳熱能力，對于放熱劇烈的反應尤為有利。用ACF制作的負載型催化劑，可用 于化工反應體系、冶金、選礦的廢氣治理及汽車尾氣治理等負載某金屬如Cu的ACF,可 在一定條件下將NOx還原為N2,將CO在室溫下就能轉化為C02等。負載金屬氫氧化物的ACF 也是良好的催化劑，可將NO還原為N2。6.5 活性炭纖維在其他領域的應用用ACF制成的防毒而具及化學防護衣，適合有毒氣體崗位的化學防護。此外，可防化 學輻射，用于制作防化學幅射器材。ACF對大氣、水中痕量物質有優(yōu)良的吸附性能。已發(fā)明的ACF環(huán)境監(jiān)測儀器使用、攜

17、 帶方便。ACF吸脫附速度快、吸附容量大、脫附溫度低、所含金屬離子少，可有效地將工業(yè)加工 生產的低沸點化合物、脂肪族化合物、及某些危害人體健康的有機溶劑、毒劑、腐蝕性溶劑 等脫除并回收。ACF還可以凈化血液中的病毒，可作為內服解毒劑。制造人工肝臟、人工肝臟輔助裝置 和腎臟等。7 .展望隨著科學工作者的努力，ACF的制備工藝不斷得到完善，但仍然存在不足，如造價高， 是GAC的10倍以上，故其應用受到限制，沒有活性炭顆粒應用廣泛;制備理論方面的研究不 夠深入。所以今后制備ACF的工作重點將會是：（D改進設備、完善工藝、降低生產成本；（2） 加強ACF制備理論的研究，以為生產出有更高比表而積和吸附容

18、量的ACF提供理論基礎；（3） 不斷開發(fā)新的原料，生產出更多品種的ACF ; （4）制備出與其它功能材料復合的ACF,使其成 為多功能復合材料。參考文獻1趙海洋,盧哈鋒,姜波,朱秋蓮,周瑛,黃海鳳，陳銀飛.揮發(fā)性有機物在活性炭纖維上的吸 附和電致熱脫附J.中國環(huán)境科學,2016,07:1981-1987.2郭宏山.煉油廢水活性炭纖維快速脫附技術研究J.當代化工,2010, 05:560-562+566.3趙海洋,盧哈鋒,姜波,朱秋蓮,周瑛,黃海鳳，陳銀飛.揮發(fā)性有機物在活性炭纖維上的吸 附和電致熱脫附J.中國環(huán)境科學,2016,07:1981-1987.4郭宏山.煉油廢水活性炭纖維快速脫附技術研究J.當代化工,2010, 05:560-562+566.5吳軍良，尹華強，劉勇軍，楚英豪，鄒長武.活性炭纖維在環(huán)境保護中的應用及前景J. 環(huán)境污染治理技術與設備,2001, 04:65-71+14.6姜軍清，黃衛(wèi)紅,陸曉華.活性炭纖維及其應用研究進展J.工業(yè)水處理,2001, 06:4-6.7程祥珍，肖加余，謝征芳，宋永才.活性炭纖維研究與應用進展J.材料