活性炭纤维吸附及脱附技术研究

活性炭纤维吸附及脱附技术研究程萍(常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164）摘要：活性炭之后出现新一代的吸附材料：活性炭纤维，活性炭纤维的吸附力比颗粒活性炭高几倍到几十倍，吸附的速率也快到近100~1000倍，具有比分布均匀、吸附速度快、杂质少、表面积大、孔径适中、等优点。本文介绍了活性炭纤维的特征意义、制备技术、脱附技术、发展趋势和应用等方面。关键词：活性炭纤维；制备方法；脱附技术；应用领域StudyonAdsorptionandDesorptionofActivatedCarbonFibersCHENGPing(SchoolofEnvironmentalandSafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China)Abstract：Activatedcarbonfiberisanewgenerationofadsorbentafteractivatedcarbon.Itsadsorptioncapacityisseveraltoseveraltimeshigherthanthatofgranularactivatedcarbonanditsadsorptionrateis100-1000timesfaster.Ithastheadvantagesoflargesurfacearea,moderateporesize,uniformdistribution,fastadsorption,Lessadvantages.Inthispaper,thecharacteristicsofactivatedcarbonfiber,preparationtechnology,desorptiontechnology,developmenttrendsandapplications.Keywords:Activatedcarbonfiber;preparationmeans;desorptiontechnology;applicationfields1.活性炭纤维的特征意义1.1活性炭纤维定义活性炭纤维（ActivatedCarbonFiber，简称ACF）是经过活化的含炭纤维，简单地说它是将某种含碳纤维经过高温活化，然后表面出现纳米等级的孔径，比表面积增加，物化特性也随之改变[1]。1.2比传统活性炭优势的体现传统活性炭是通过活化处理的多孔炭，呈现颗粒状或者粉末状，活性碳纤维为纤维状，纤维上很多微孔，对于有机气体，活性炭纤维的吸附力比传统活性炭在空气中高几倍至几十倍，水溶液中也高5到6倍，吸附速率快到100至1000倍。近20多年活性炭纤维才开始使用，只有个别国家能生产它。它的原料可以是纸、布、丝等形式，它的市场价格比较高，40万/吨左右，(煤质活性炭价格1万/吨左右，椰壳活性炭价格2万/吨左右)。但它的制品成本只略有提高是因为它的重量比较轻[2]。根据它的超强吸附能力可用在工业上回收有机溶剂，净化用水和空气。ACF具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点;被广泛运用于工业、食品、空气净化、水处理、航空、军事等行业。1.3活性炭纤维的结构1.3.1物理结构ACF微孔为主要孔，达到总体积90%以上,无大孔过渡孔,孔径单分散而且小[3]。ACF的孔径小,所以吸附分子进入微孔时被孔壁向内辐射的引力所握持,所以ACF不仅吸附量大,而且吸附力强。它的微孔直接分布于纤维的表面,所以吸附时能够直接与吸附质接触,吸附和解吸过程很短,因此有较高的吸附速率和解吸速率。1.3.2化学结构ACF内碳元素量达到80%以上,主要由碳原子组成还有少量氧元素和氢元素,部分还有少量N、S等杂原子。活性炭纤维表面的碳和氧元素能结合形成一系列支配表面化学结构的含氧官能团[4]。1.4活性炭纤维的特点比表面积大，一般可达1000到1500m2/g,吸附容量是粒状活性炭的5到10倍。外表面积大，吸脱附速度快，位粒状活性炭的10到100倍，成本低，设备体积小，强度较高，不容易密实和粉化，也不会造成二次污染。纯度高，可用于医疗卫生和食品等工业[5]。由于碳含量高，耐高温，在4000C以下正常使用。ACF吸附效率高，可以吸附重金属和低浓度的有害气体。技术经济综合比较后采用。3.5其他脱附再生方法其他可用于活性炭纤维再生的方法主要有有机溶剂再生、超临界萃取、湿式氧化法等。有机溶剂再生法是利用有机物相似相溶的原理，如对于含苯环或羟基醇类有机物可采用苯、丙酮、甲醇等有机溶剂洗涤再生。由于废水中污染组分复杂，再生后有机溶剂无法循环利用，再生过程复杂、处理费用大，目前采用的不多。超临界萃取是近年来发展的再生方法，主要溶剂有CO2、乙醇等，在临界压力和温度下，对吸附饱和后的有机物进行萃取再生。该技术目前尚不完善，再生过程稳定性差。湿式氧化法是采用较高的温度和压力，利用氧气或空气做介质，使有机物在液态下氧化成低分子有机酸、CO2和水。该方法的主要问题是再生不彻底、设备要求高、能耗大、控制系统严格等。4.国内外活性炭纤维发展趋势4.1国外活性炭发展趋势世界ACF的工业化生产已从西方转向中国等发展中国家，这种产业的转移在21世纪中期将持续进行。全球范围内日渐严规使得ACF的需求进一步增长，水处理行业一直是活性炭消费的巨大市场。其它需求增长较快的领域包括气体处理市场，美国在此领域的消费量中期内将增长5％。最大的潜在活性炭应用市场是燃煤火电厂所排放气体的净化[10]。由于人们对可能的生化恐怖袭击高度关注，核、细菌以及化学防护过滤器和个人防护服装对活性炭的需求也将逐步增加。4.2国内活性炭发展趋势我国一直是美国最大的活性炭输出国，日本是世界活性炭使用仅次于美国的国家，位居全球第2，日本也是我国第1活性炭出口目的地。我国活性炭出口的3大地区除东亚、美国之外，欧洲市场也是我国传统的活性炭出口目的地。我国的活性炭发展目前有以下几个特点：生产规模大型化、生产设备大型化和现代化、产品多样化、节能减排常态化、加强技术创新。活性炭纤维的应用5.1活性炭纤维在电子工业中的应用有些电子元件,如电阻型湿度检测元件等,长期工作于被污染的环境中,电阻值与湿度的相关性会发生变化,导致测量精度下降。若用ACF制作多孔吸滤罩将该元件保护起来,则可避免上述问题,从而可以保持其检测灵敏度。利用ACF的比表面积大,细孔孔径适中、耐酸碱、导电性能及化学稳定性好等特点,可用于制造电池电极、电容器等电子产品部件。具有存储容量大、电导率高、在空气中使用稳定、体积密度小、可多次重复使用的特点。尤其是双层电容器,容量是普通铝电解电容器的100万倍,可用于一些小型的存贮永久性电源。比表面积大的ACF还是捕集太阳光能的良好黑体,它的导热率大,容易实现光能向热能的转换,而且ACF比金属轻得多,便于安装和使用。此外,ACF在电极材料、驻电容器等方面也有很大的应用潜力。5.2活性炭纤维在气体处理中的应用含硫废气的排放是造成大气污染的主要原因之一,其中SO2是危害最大、数量最多的大气污染物。ACF具有吸附转化SO2的独特性能,对ACF脱硫性能的研究已经成为科研人员广泛关注的焦点。目前,具有较高的脱硫活性的ACF主要是由聚丙烯腈和各向同性沥青前驱体转变成纤维后再活化制备的。ACF对空气中的其他污染物如硫化氢、氮的氧化物、挥发性有机化合物等也有很好的吸附作用。另有研究发现,以ACF为吸附材料可高品质地从有机尾气中回收烷烃、烯烃、芳香烃、酮、醇、醛、卤代烃等有机溶剂和气体,尾气中有机物的回收率达98%以上[11]。5.3活性炭纤维在水处理中的应用ACF用于处理生产废水的目的是:除去BOD、COD、TOC、颜色、臭味、油、苯酚等,除去妨碍生物处理的物质和生物难于分解的物质,除去汞及其他金属,除去放射性核素,制备再循环水。ACF对饮用水净化有特殊功能,载银的ACF具有很好的抗菌活性,可用来软化饮用水并除去水中的细菌[14]。用ACF处理饮用水中的三氯甲烷,在相同的条件下,其吸附量和有效吸附时间是柱状活性炭的2倍。ACF还可用于工业废水的处理。用ACF处理不同浓度的含酚有机废水不仅吸附速度快而且再生容易。ACF对金属离子有较好的吸附能力,故可将其用来处理无机废水。ACF还可吸附水溶液中的Au3+,Pt4+,Fe3+并将其分别还原为Au，Pt2+,Fe2+。5.4活性炭纤维作为催化剂和催化剂载体应用ACF出色的耐热性、耐酸碱性使之可以作为催化剂的有效成分。以ACF为载体的催化剂对NO的催化还原作用比单一组分催化剂对NO的转化率更高,温度适应范围广,催化剂寿命长。ACF还可用来制备载体催化剂。ACF具有良好的导热性能,掺入催化剂中,能有效地提高催化剂的传热能力,对于放热剧烈的反应尤为有利。用ACF制作的负载型催化剂,可用于化工反应体系、冶金、选矿的废气治理及汽车尾气治理等[12]。负载某金属如Cu的ACF,可在一定条件下将NOx还原为N2,将CO在室温下就能转化为CO2等。负载金属氢氧化物的ACF也是良好的催化剂,可将NO还原为N2。5.5活性炭纤维在其他领域的应用5.5.1劳保防护用ACF制成的防毒面具及化学防护衣,适合有毒气体岗位的化学防护。此外,可防化学辐射,用于制作防化学辐射器材。5.5.2环境监测ACF对大气、水中痕量物质有优良的吸附性能。已发明的ACF环境监测仪器使用、携带方便。5.5.3溶剂回收ACF吸脱附速度快、吸附容量大、脱附温度低、所含金属离子少,可有效地将工业加工生产的低沸点化合物、脂肪族化合物、及某些危害人体健康的有机溶剂、毒剂、腐蚀性溶剂等脱除并回收。5.5.4医疗服务ACF还可以净化血液中的病毒,可作为内服解毒剂。制造人工肝脏、人工肝脏辅助装置和肾脏等。展望随着科学工作者的努力,ACF的制备工艺不断得到完善,但仍然存在不足,如造价高,是GAC的10倍以上，故其应用受到限制,没有活性炭颗粒应用广泛;制备理论方面的研究不够深入。所以今后制备ACF的工作重点将会是:(1)改进设备、完善工艺、降低生产成本;(2)加强ACF制备理论的研究,以为生产出有更高比表面积和吸附容量的ACF提供理论基础;(3)不断开发新的原料,生产出更多品种的ACF;(4)制备出与其它功能材料复合的ACF,使其成为多功能复合材料。参考文献[1]赵海洋,卢晗锋,姜波,朱秋莲,周瑛,黄海凤,陈银飞.挥发性有机物在活性炭纤维上的吸附和电致热脱附[J].中国环境科学,2016,07:1981-1987.[2]郭宏山.炼油废水活性炭纤维快速脱附技术研究[J].当代化工,2010,05:560-562+566.[3]赵海洋,卢晗锋,姜波,朱秋莲,周瑛,黄海凤,陈银飞.挥发性有机物在活性炭纤维上的吸附和电致热脱附[J].中国环境科学,2016,07:1981-1987.[4]郭宏山.炼油废水活性炭纤维快速脱附技术研究[J].当代化工,2010,05:560-562+566.[5]吴军良,尹华强,刘勇军,楚英豪,邹长武.活性炭纤维在环境保护中的应用及前景[J].环境污染治理技术与设备,2001,04:65-71+14.[6]姜军清,黄卫红,陆晓华.活性炭纤维及其应用研究进展[J].工业水处理,2001,06:4-6.[7]程祥珍,肖加余,谢征芳,宋永才.活性炭纤维研究与应用进展[J].材料科学与工程学报,2003,02:283-288.[8]耿虹,仲兆