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活性炭纖維的性能特征與應(yīng)用

 

李旭明   張茂林   李龍

(西安工程科技學(xué)院   710048 )

編輯：弗艾博纖維技術(shù)研究中心

 

 

[摘要]:本方主要介紹了活性炭纖維的結(jié)構(gòu)特征和吸附性能，綜述了在空氣凈化、廢水處理、凈化飲用水、醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用.

[關(guān)鍵詞]:活性炭纖維(ACF)  吸附  微孔  應(yīng)用

 

前言

活性炭纖維( Activated CarbonFiber )是繼粉狀活性炭和粒狀活性炭之后的第三代產(chǎn)品。活性炭纖維(ACF)的前驅(qū)體是炭纖維，有瀝青系纖維、特殊酚醛樹脂纖維、丙稀基纖維(PAN)、人造絲纖維。這類纖維制得的活性炭纖維具有以下特征:①比表面積大②吸附、脫附速度非?？膦劭杉庸こ筛鞣N形狀④重量輕使用方便⑤可與其他性能的材料形成復(fù)合材料⑥容易再生、再利用⑦生成的炭粉塵少。與粒.狀活性炭、粉狀活性炭相比，雖然活性炭纖維價(jià)格較高，但因其有上述特征，故仍能被廣泛應(yīng)用于環(huán)保工業(yè)、電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)與輻射防護(hù)、醫(yī)用生理衛(wèi)生等，具有廣闊的發(fā)展前景。

 

1活性炭纖維 的性能特征

1.1結(jié)構(gòu)特征

ACF是多孔性的吸附材料，含有豐富的微孔，微孔的體積占總孔體積的90%以上，微孔直徑小(約2nm左右);其孔徑分布窄，特殊的細(xì)孔呈單分散分布，由不同尺寸的微細(xì)孔隙組成其結(jié)構(gòu)。在ACF中無大孔，只有少量的過濾孔，在ACF絲束間的空間起大孔作用，對(duì)氣相和液相的物質(zhì)具有較好的吸附作用。其比表面積大(約1000m²/g 3000m²/g),微孔直接開口于纖維表面，因而吸附容量大、吸附效率高、吸附、脫附速度快，為粒狀活性炭的10- 100倍。隨著比表面積增大,細(xì)孔的平均直徑隨之增大,細(xì)孔容量增加,在細(xì)孔內(nèi)發(fā)生吸附后充填細(xì)孔內(nèi)。其比表面積增大吸附容量也增大，為粒狀活性炭的1.5-10 倍，可吸附處理低濃度廢氣或具有高活性的物質(zhì)。

1.2表面化學(xué)結(jié)構(gòu)

ACF表面原子呈不飽合結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的表面化學(xué)性能，微品在燃燒溫度低時(shí)易與氧化介質(zhì)反應(yīng)成氧化物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基團(tuán)及含硫基、氮元素、鹵素等官能團(tuán)。其表面酸性與吸附平衡有密切的關(guān)系。

 

2、活性炭纖維的應(yīng)用

2.1加工形態(tài)

活性炭纖維具有吸附速度快的特征,并且它是纖維狀的，可以隨意加工。也就是說，纖維狀的活性炭纖維可以加工成各種形態(tài)的活性炭，如原絲有棉、絲束、短切纖維等形態(tài)，它們可以加工成紙、毛氈、特殊成形品。因此，很容易滿足用戶的要求。另外，活性炭纖維還可用來其它材料復(fù)合成多功能吸附材料。

2.2活性炭纖維的利用

ACF的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，可用于有害氣體有毒氣體的去除和凈化電子電器材料、水的凈化、有機(jī)溶劑的回收裝置、醫(yī)學(xué)等。

2.2.1空氣凈化

空氣中主要污染源是二氧化硫和氮的氧化物及硫化氫和有機(jī)揮發(fā)物組分等。

含氮瀝青ACF在100?C的高溫下進(jìn)行熱處理后，二氧化硫的穩(wěn)定態(tài)含量只有10%，硫酸從ACF表面的脫除也十分容易;用PAN基ACF可有效地捕捉空氣中的硫化氫，在吸附表面上以三氧化硫或硫酸的形式吸附。此外，ACF還能吸附汽車尾氣排放的C0?、 NO?、 烴、醛類氣體，因而ACF可制成千法脫硫裝置及汽車尾氣過濾裝置。

ACF還具有吸附0?、含氟氣體、煙味、人體和儀器排放的多種異味的能力，可用于辦公設(shè)備的臭氧脫除，并且可制成在航天飛機(jī)、潛水艇、坦克等密閉環(huán)境及室內(nèi)使用的空氣凈化器。

此外，利用ACF對(duì)低濃度吸附質(zhì)具有良好吸附作用的特點(diǎn)，還可制成小巧方便的環(huán)保監(jiān)測儀，監(jiān)測環(huán)境中有害物質(zhì)的排放。

2.2.2廢水的處理及凈化

ACF用于水的凈化處理具有吸附容量大、吸附速度快、脫附速度快、灰分少、處理量大、且使用時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)廢水的處理具有特殊的功能，在污水處理中,采用ACF吸附往往用于二級(jí)處理或三級(jí)處理。將ACF用于環(huán)保工程中其操作安全，由于體積密度小和吸脫層薄，不會(huì)造成蓄熱和過熱現(xiàn)象，也不易發(fā)生事故，且節(jié)能和經(jīng)濟(jì)，可用于大型.上水凈水處理，不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊占地面積小，設(shè)備投資小和效益高。

ACF適用于各種有機(jī)廢水的處理。它可對(duì)含氯廢水、制藥廠廢水、有機(jī)染料廢水、苯酚廢水、四苯廢水、己內(nèi)酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進(jìn)行處理。其吸附能力比粉狀活性炭的吸附能力高得多，尤其適用于高平衡濃度時(shí)，每克ACF的吸附量約為粉狀活性炭的3倍。當(dāng)溫度升高后，其吸附能力提高。

用劍麻基ACF可有效去除水中的各種有機(jī)染料，如亞甲基蘭、結(jié)晶紫、烙蘭黑R等，去除率高達(dá)100%; 瀝青基ACF可有效地吸附酸性染料，如酸性藍(lán)74、酸性橙10等，也用于直接染料如直接藍(lán)19、直接黃50及堿性染料的堿性棕1、堿性青紫3等。

對(duì)煉油廢水和處理結(jié)果表明，采用ACF三級(jí)吸附的COD達(dá)10000mg/L 的廢水，凈化效率達(dá)86%以上.脫附用150?C -350?C的空氣及蒸汽混合脫附、ACF性能不變,靜態(tài)吸附量大于0. 5g/ gACF:對(duì)高濃度和成分復(fù)雜的頁巖油干餾廢水的處理后COD可達(dá)低于2000mg/L:對(duì)十三嗎啉農(nóng)藥廢水的處理，采用二級(jí)ACF吸附，出水COD< 150mg/L，去除率達(dá)94%，飽和后采用5%濃度的酸性無機(jī)脫附劑處理，吸附性能可完全恢復(fù):對(duì)含PCB?廢水的處理，經(jīng)單級(jí)ACF吸附過的含PCB?10-27ug/L的廢水，出水達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，單柱穩(wěn)定運(yùn)行周期70-80天，吸附容量7g/kgACF.

ACF對(duì)金屬離子具有較好的吸附性能,可吸附水中的銀、鉑、汞、鐵等多種離子并能夠?qū)⑵溥€原。大多數(shù)情況下，其還原反應(yīng)可以大大促進(jìn)對(duì)這些金屬離子的吸附。

2. 2. 3凈化飲用水

隨著水質(zhì)污染的日益嚴(yán)重，凈化水質(zhì)就顯得尤為重要。對(duì)地下水的檢測表明，在水中已含有多種氯化物，這些氯化物存在于水中具有致癌作用，在自來水中的含氯物質(zhì)可用ACF加以去除。用ACF去除水，中的三氯乙烯,在其濃度為1-5kg/m³ , ACF的吸附量為粒狀活性炭的4倍，在實(shí)際處理中可比活性炭大1個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，粘膠基活性炭纖維氈片或腈綸基活性炭纖維織物的緯紗都是經(jīng)活化處理的具有高效吸附性能的微多孔質(zhì)的活性炭纖維，可濾出水中各種雜質(zhì)及微生物。

目前ACF已廣泛應(yīng)用于凈水器，物別是載銀ACF具有吸附和滅菌的雙重功能，用載銀ACF對(duì)大腸桿菌進(jìn)行吸附，在含銀量增加、比表面積增大時(shí)，其吸附量增大，對(duì)水中的其它微生物的吸附同樣有效。

2.2. 4溶劑回收

采用ACF吸附回收溶劑不僅減輕了環(huán)境污染，而且回收溶劑質(zhì)量較高。在回收濃度為2000ppm的含酮混合溶劑中，回收率達(dá)98%;在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯化碳、四氯乙烯及二氯甲烷的應(yīng)用中，回收率均高于97%， 效果相當(dāng)理.想;在回收醋酸丁酯中，平衡吸附量近600mg/.gACF。

2. 2. 5電子工業(yè)中的應(yīng)用

在微電子科學(xué)領(lǐng)域制造芯體過程中,對(duì)電鍍有特殊的要求，使用活性炭纖維能改善電鍍質(zhì)量;利用ACF的比表面積大、細(xì)孔孔徑適中和導(dǎo)電性能，可用于制造電池產(chǎn)品的部件:還可開發(fā)用于大電流放電的雙層電子電容器:在電子和能源方面可用于制造高性能的電容、電池的電極等。ACF可用于制造化學(xué)輻射器材，并能除去放射性物質(zhì)，還可用于核電站的防護(hù)材料。此外，在除臭、除濕、電極材料駐電容器等方面也在不斷拓展新的用途。

納米技術(shù)的開發(fā),可將ACF用于納米復(fù)合材料，使其向高功能化、表面官能團(tuán)特殊化的方向發(fā)展，作為更新?lián)Q代產(chǎn)品，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有極其重要的作用和意義。

2.2.6醫(yī)學(xué)應(yīng)用

粘膠基活性炭纖維的無毒性使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于ACF具有化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及輻射穩(wěn)定性，因而使用各種消毒方法進(jìn)行消毒時(shí)，不會(huì)發(fā)生任何變化。ACF對(duì)人體中外源性毒素及內(nèi)源性毒素的吸附都十分有效，在血液過濾、內(nèi)服解毒及外傷包扎與治療方面都有重要用途。

(1)血液過濾ACF對(duì)進(jìn)入人體血液的外源性毒素如苯、丙醇、1，2一二氯乙烷、四氯化碳等都有良好的吸附作用。同時(shí)ACF對(duì)人體內(nèi)源性毒素的吸附也很有效。因此，用ACF可制成血液過濾器，由于ACF吸附量大，一只血液過濾器的裝填量僅需15- 17g,為活性炭裝填量的1/20. 由于ACF吸附效率高，通常只需一次就可將血液中的毒素全部清除，而用活性炭往往需要過濾2-3次。

(2)內(nèi)服解毒劑

ACF對(duì)胃液中毒素的吸附效果大大優(yōu)于活性炭。預(yù)先服用ACF,對(duì)多種物質(zhì)的中毒現(xiàn)象都有明顯的緩解作用。臨床實(shí)驗(yàn)表明，預(yù)先服用ACF使服毒半致死量提高，并且搶救時(shí)的人工呼吸時(shí)間也明顯變短。

(3)外傷包扎及治療 ACF在外傷包扎與.治療中的應(yīng)用更有獨(dú)特之處，對(duì)于形狀復(fù)雜、臟物及排泄較多的傷口，使用ACF極為有效。它可將臟物和排泄物吸附，起到對(duì)傷口保鮮及抗感染作用。ACF還有改善病人狀態(tài)、加速傷口愈合、減少傷口色素沉著等作用。對(duì)于外傷創(chuàng)傷，如槍傷、刀傷、砸傷，在沒有醫(yī)生搶救時(shí)，ACF 是最好的急救包扎帶。

3、結(jié)語

日本是開發(fā)ACF最早的國家。日本東洋紡織公司于1975 年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，而我國從1980 年代開始投入力量進(jìn)行研究，到上世紀(jì)90年代末開始進(jìn)入工業(yè)化生.產(chǎn)期。我國的ACF生產(chǎn)與開發(fā)還僅處于初始階段，其應(yīng)用領(lǐng)域還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有打開。ACF這種新型的功能性中低模量碳纖維，以其優(yōu)異的吸附性能在水處理，工廠的空氣凈化，化學(xué)物質(zhì)的吸附應(yīng)用方面其市場開發(fā)潛力極大。深入開展ACF結(jié)構(gòu)與性能的研究，為ACF的生產(chǎn)提供理論依據(jù)，并使這種新材料得到廣泛應(yīng)用，將成為我國ACF研究的主要發(fā)展趨勢。

 

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