活性炭纖維吸附及脫附技術研究

1、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?；钚蕴扛邘妆兜綆资?，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、表面積大、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 Carbon FibersCHENG Ping(School of Environmental and

2、 Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)Abstract：Activated carbon fiber is a new generation of adsorbent after activated carbon. Its adsorption capacity is several to several times higher than that of granular activated carbon and its adsorption rate is 100-1000 times faster.

3、 It has the advantages of large surface area, moderate pore size, uniform distribution, fast adsorption, Less advantages. In this paper, the characteristics of activated carbon fiber, preparation technology, desorption technology, development trends and applications.Key words:Activated carbon fiber;

4、 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 Fiber，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。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)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

5、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2。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具有比表面積大、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1.3.1物理結構ACF 微孔為主要孔，達到總體積90 %以上, 無大孔過渡孔, 孔徑單分散而且小3。ACF 的孔徑小, 所以吸附分子進入微孔時被孔壁向內

6、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面, 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。1.3.2化學結構ACF內碳元素量達到80 %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4。1.4活性炭纖維的特點比表面積大，一般可達1000到1500m2/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，強度較高，不容易密實和粉化，也不

7、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)5。由于碳含量高，耐高溫，在4000C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6。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。2.2炭化炭化就是在N2等惰性氣

8、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。2.3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?；罨姆椒ㄓ谢瘜W活化法和氣體活化法。用于活化的氣體有CO2和O2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具有疏水性，所吸附的有機成分有較好的揮發(fā)

9、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??；還有某些低分子醇，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200500 的過熱水蒸汽等7。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體吹脫方式除去水蒸汽的存在，不利于有機吸附質的熱解，吸附劑再生效率受到一定影響解吸再生下來有機組分全部溶入飽和蒸汽中，需要冷凝處理。3.2電流加熱脫附再生ACF既有良好的吸附性能，同時又是良好的導體。

10、向活性炭纖維上給予一定的電流，用其自身的電阻產熱，使纖維上的有機吸附物組分升溫發(fā)生熱解吸，后通過空氣、氮氣等適量的氣提介質將其氧化分解、氣提出去，最后活性炭纖維得到再生8。因為電加熱時產生的熱量較大，不用向系統(tǒng)中引入蒸汽和水，于是再生可以在很短的時間內完成。這種方法具有再生徹底、速度快、設備簡單、易操作的優(yōu)點。注意點就是活性炭纖維起發(fā)熱作用的電阻是由纖維束或纖維氈緊密壓實結合成的整體產生的。壓實密度和均勻性容易導致局部電流分布不均。因為不能采用過高的電流，所以限制了大的加熱功率，如果要使活性炭纖維的快速再生，就必須對較大處理裝置進行分段分解再生或者降低單個處理裝置的規(guī)模。3.3電加熱脫附再生電

11、加熱屬于熱再生的一種方式，因為活性炭纖維導熱性能良好，局部受熱后的熱量能快速擴散到其它部位，特別是氣提介質的流動，可以在很短的時間里使均勻受熱，溫度能夠迅速提高。相比電流加熱的方式，電加熱緩解了局部過熱的問題，所以對氣提介質的選擇范圍更大一點，既可采用氮氣等惰性氣體，也可以采用空氣。同時對吸附處理裝置的材料要求較低。在電加熱再生過程中，為提高電的加熱效率和使熱量分布均勻，加熱電阻應與活性炭纖維材料充分接觸，減少死角。3.4微波脫附再生微波加熱是一種全新的熱能技術，與傳統(tǒng)加熱不同，微波加熱不需要外部熱源，而是向被加熱材料內部輻射微波電磁場，推動其偶極子運動，使之相互碰撞、摩擦而生熱。首先，加熱速

12、度快。由于微波能夠深入含有一定水量的活性炭纖維內表面，從內部發(fā)生熱量，減少了熱傳導阻力，將使加熱速度提高了數(shù)十倍9。其次，由于微波從內部發(fā)生熱量，并對特定的需要加熱的材料進行加熱，而產生微波的裝置本身不產生熱輻射，熱效率較高。第三，由于維持一定的微波頻率和電場強度，受熱體對微波功率的吸收僅取決于其不同的損耗因數(shù)，因水的損耗因數(shù)比干活性炭纖維大，水因吸收的熱量多而得到快速的蒸發(fā)，避免了局部干活性炭纖維的過熱干燥和熱破壞，使整個活性炭纖維再生過程受熱均勻。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。3.5其他脫附再生方法其他可用于活性炭纖維再

13、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CO2、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、CO2 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。4.國內外活性炭纖

14、維發(fā)展趨勢4.1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。全球范圍內日漸嚴規(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市場是燃煤火電廠所排放氣體的凈化10。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。4.2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，日本也是我國第1活性炭出口目的地。我國活

15、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、節(jié)能減排常態(tài)化、加強技術創(chuàng)新。5. 活性炭纖維的應用5.1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、電容器等電子產品部件。具有存儲容量

16、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。比表面積大的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、駐電容器等方面也有很大的應用潛力。5.2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SO2 是危害最大、數(shù)量最多的大氣污染物。ACF具有吸附轉化SO2 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, 具有較高的脫

17、硫活性的ACF 主要是由聚丙烯腈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烴、烯烴、芳香烴、酮、醇、醛、鹵代烴等有機溶劑和氣體, 尾氣中有機物的回收率達98 %以上11。5.3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

18、好的抗菌活性, 可用來軟化飲用水并除去水中的細菌14。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+。5.4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

19、高, 溫度適應范圍廣, 催化劑壽命長。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12。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CO2 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。5.5活性炭纖維在其他領域的應用5.5.1勞保防護用ACF 制成的防毒面具及化學防護衣, 適合有毒氣體崗位的化學防護。此外, 可防化學輻射, 用于制作防化學輻射器

20、材。5.5.2環(huán)境監(jiān)測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、攜帶方便。5.5.3溶劑回收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。5.5.4醫(yī)療服務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。6. 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:(1)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面積和吸附容量的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