活性炭纖維吸附及脫附技術(shù)研究

1、活性炭纖維吸附及脫附技術(shù)研究程萍(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)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(zhì)少、外表積大、孔徑適中、等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了活性炭纖維的特征意義、制備技術(shù)、脫附技術(shù)、發(fā)展趨勢和應(yīng)用等方面。關(guān)鍵詞：活性炭纖維；制備方法；脫附技術(shù)；應(yīng)用領(lǐng)域StudyonAdsorptionandDesorptionofActivatedCarbonFibersCHENGPing(SchoolofEnvironmentalandSafetyEnginee

2、ring,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China)Abstract:Activatedcarbonfiberisanewgenerationofadsorbentafteractivatedcarbon.Itsadsorptioncapacityisseveraltoseveraltimeshigherthanthatofgranularactivatedcarbonanditsadsorptionrateis100-1000timesfaster.Ithastheadvantagesoflargesurfacearea,moderateporesi

3、ze,uniformdistribution,fastadsorption,Lessadvantages.Inthispaper,thecharacteristicsofactivatedcarbonfiber,preparationtechnology,desorptiontechnology,developmenttrendsandapplications.Keywords:Activatedcarbonfiber;preparationmeans;desorptiontechnology;applicationfields1.活性炭纖維的特征意義活性炭纖維定義活性炭纖維Activated

4、CarbonFiber,簡稱ACF1是經(jīng)過活化的含炭纖維，簡單地說它是將某種含碳纖維經(jīng)過高溫活化，然后外表出現(xiàn)納米等級(jí)的孔徑，比外表積增加，物化特性也隨之改變1。表達(dá)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(duì)于有機(jī)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倍。近20多年活性炭纖維才開始使用，只有個(gè)別國家能生產(chǎn)它。它的原料可以是紙、布、絲等形式，它的市場價(jià)格比較高，40萬/噸左右，（煤質(zhì)活性炭價(jià)格1萬/噸左右，椰殼活性炭價(jià)格2萬/噸左右）。但它的制品成本只略有提高是因?yàn)樗闹亓?/p>

5、比較輕2。根據(jù)它的超強(qiáng)吸附能力可用在工業(yè)上回收有機(jī)溶劑，凈化用水和空氣。ACF具有比外表積大、孔徑適中、分布均勻、吸附速度快、雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)；被廣泛運(yùn)用于工業(yè)、食品、空氣凈化、水處理、航空、軍事等行業(yè)。ACF微孔為主要孔，到達(dá)總體積90%以上，無大孔過渡孔，孔徑單分散而且小網(wǎng)。ACF的孔徑小，所以吸附分子進(jìn)入微孔時(shí)被孔壁向內(nèi)輻射的引力所握持，所以ACF不僅吸附量大，而且吸附力強(qiáng)。它的微孔直接分布于纖維的外表，所以吸附時(shí)能夠直接與吸附質(zhì)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(nèi)碳元素量到達(dá)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?/p>

6、纖維外表的碳和氧元素能結(jié)合形成一系列支配外表化學(xué)結(jié)構(gòu)的含氧官能團(tuán)4。比外表積大，一般可達(dá)1000到1500m2/g,吸附容量是粒狀活性炭的5到10倍。外外表積大，吸脫附速度快，位粒狀活性炭的10到100倍，成本低，設(shè)備體積小，強(qiáng)度較高，不容易密實(shí)和粉化，也不會(huì)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。預(yù)處理主要分預(yù)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(jìn)行炭化或活化的既提高收率，同時(shí)也改善了其纖維力學(xué)和吸附性能。預(yù)氧化處理一般采用空

7、氣預(yù)氧化，原料纖維在一定的溫度范圍內(nèi)，慢慢預(yù)氧化一段時(shí)間，或按照一定升溫程序升溫預(yù)氧化6。預(yù)氧化主要是防止纖維高溫炭化和活化的時(shí)候發(fā)生熔融并絲。將預(yù)氧化和鹽浸漬處理相結(jié)合效果最正確。炭化就是在Nb等惰性氣體的環(huán)境下在8001000c對(duì)纖維進(jìn)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(jié)構(gòu)的炭化纖維。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(jié)構(gòu)和較高的比外表積?；罨姆椒ㄓ谢瘜W(xué)活化法和氣體活化法。用于活化的氣體有CO和Q等。水蒸汽、二氧化碳和碳的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)；氧和碳的反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，難于控制反應(yīng)溫度。利用吸附劑到達(dá)平衡后所吸附的介質(zhì)在過熱蒸汽或空氣作用

8、下進(jìn)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(zhì)的性質(zhì)，特別是揮發(fā)性有關(guān)。因?yàn)锳CF具有疏水性，所吸附的有機(jī)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(cuò)的解吸效果。而有些有機(jī)物含有特殊的官能團(tuán)沸點(diǎn)較高，使其隨水蒸汽或空氣揮發(fā)的可能性小；還有某些低分子醇，沸點(diǎn)低但是親水性強(qiáng)，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?fù)]發(fā)的雙重作用解吸再生，如200500C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(jī)械或氣體吹脫方式除去水蒸汽的存在，不利于有機(jī)吸附質(zhì)的熱解，吸附劑再生效率受

9、到一定影響解吸再生下來有機(jī)組分全部溶入飽和蒸汽中，需要冷凝處理。ACF既有良好的吸附性能，同時(shí)又是良好的導(dǎo)體。向活性炭纖維上給予一定的電流，用其自身的電阻產(chǎn)熱，使纖維上的有機(jī)吸附物組分升溫發(fā)生熱解吸，后通過空氣、氮?dú)獾冗m量的氣提介質(zhì)將其氧化分解、氣提出去，最后活性炭纖維得到再生網(wǎng)。因?yàn)殡娂訜釙r(shí)產(chǎn)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(shí)間內(nèi)完成。這種方法具有再生徹底、速度快、設(shè)備簡單、易操作的優(yōu)點(diǎn)。注意點(diǎn)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(shí)結(jié)合成的整體產(chǎn)生的。壓實(shí)密度和均勻性容易導(dǎo)致局部電流分布不均。因?yàn)椴荒懿捎眠^高的電流，所以限制了大的加熱功率，如果要

10、使活性炭纖維的快速再生，就必須對(duì)較大處理裝置進(jìn)行分段分解再生或者降低單個(gè)處理裝置的規(guī)模。電加熱屬于熱再生的一種方式，因?yàn)榛钚蕴坷w維導(dǎo)熱性能良好，局部受熱后的熱量能快速擴(kuò)散到其它部位，特別是氣提介質(zhì)的流動(dòng)，可以在很短的時(shí)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(duì)氣提介質(zhì)的選擇范圍更大一點(diǎn)，既可采用氮?dú)獾榷栊詺怏w，也可以采用空氣。同時(shí)對(duì)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(yīng)與活性炭纖維材料充分接觸，減少死角。微波加熱是一種全新的熱能技術(shù)，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(nèi)部

11、輻射微波電磁場，推動(dòng)其偶極子運(yùn)動(dòng)，使之相互碰撞、摩擦而生熱。首先，加熱速度快。由于微波能夠深入含有一定水量的活性炭纖維內(nèi)外表，從內(nèi)部發(fā)生熱量，減少了熱傳導(dǎo)阻力，將使加熱速度提高了數(shù)十倍網(wǎng)。其次，由于微波從內(nèi)部發(fā)生熱量，并對(duì)特定的需要加熱的材料進(jìn)行加熱，而產(chǎn)生微波的裝置本身不產(chǎn)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(qiáng)度，受熱體對(duì)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)，防止了局部干活性炭纖維的過熱干燥和熱破壞，使整個(gè)活性炭纖維再生過程受熱均勻。注意點(diǎn)：微波再生裝置一次性投資較高，但能耗較低，因此應(yīng)在處理規(guī)模的基礎(chǔ)上

12、進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后采用。其他可用于活性炭纖維再生的方法主要有有機(jī)溶劑再生、超臨界萃取、濕式氧化法等。有機(jī)溶劑再生法是利用有機(jī)物相似相溶的原理，如對(duì)于含苯環(huán)或羥基醇類有機(jī)物可采用苯、丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑洗滌再生。由于廢水中污染組分復(fù)雜，再生后有機(jī)溶劑無法循環(huán)利用，再生過程復(fù)雜、處理費(fèi)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(duì)吸附飽和后的有機(jī)物進(jìn)行萃取再生。該技術(shù)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(zhì)，使有機(jī)物在液態(tài)下氧化成低分子有機(jī)酸、CO2和水。該方法的主要問題是再生不徹底、設(shè)備要求

13、高、能耗大、控制系統(tǒng)嚴(yán)格等。世界ACF的工業(yè)化生產(chǎn)已從西方轉(zhuǎn)向中國等發(fā)展中國家，這種產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移在21世紀(jì)中期將持續(xù)進(jìn)行。全球范圍內(nèi)日漸嚴(yán)規(guī)使得ACF的需求進(jìn)一步增長，水處理行業(yè)一直是活性炭消費(fèi)的巨大市場。其它需求增長較快的領(lǐng)域包括氣體處理市場，美國在此領(lǐng)域的消費(fèi)量中期內(nèi)將增長5%。最大的潛在活性炭應(yīng)用市場是燃煤火電廠所排放氣體的凈化10。由于人們對(duì)可能的生化恐怖襲擊高度關(guān)注，核、細(xì)菌以及化學(xué)防護(hù)過濾器和個(gè)人防護(hù)服裝對(duì)活性炭的需求也將逐步增加。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。我國活性炭出口的3大地區(qū)除東亞、美

14、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(gè)特點(diǎn)：生產(chǎn)規(guī)模大型化、生產(chǎn)設(shè)備大型化和現(xiàn)代化、產(chǎn)品多樣化、節(jié)能減排常態(tài)化、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新。5 .活性炭纖維的應(yīng)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(guān)性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致測量精度下降。假設(shè)用ACF制作多孔吸濾罩將該元件保護(hù)起來，則可防止上述問題，從而可以保持其檢測靈敏度。利用ACF的比外表積大，細(xì)孔孔徑適中、耐酸堿、導(dǎo)電性能及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可用于制造電池電極、電容器等電子產(chǎn)品部件。具有存儲(chǔ)容量大、電導(dǎo)率高、在空氣中使用穩(wěn)定、體積密度小、可多次重復(fù)使用的特點(diǎn)。尤其是雙層電容

15、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。比外表積大的ACF還是捕集太陽光能的良好黑體，它的導(dǎo)熱率大，容易實(shí)現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)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(yīng)用潛力。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(zhuǎn)化SO2的獨(dú)特性能，對(duì)ACF脫硫性能的研究已經(jīng)成為科研人員廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，具有較高的脫硫活性的ACF主要是由聚丙烯睛和各向同性瀝青前驅(qū)體轉(zhuǎn)變成纖維后再活化制備的。ACF對(duì)空氣中的其他污染物如硫化氫、氮的氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物等也有很

16、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(zhì)地從有機(jī)尾氣中回收烷燒、烯煌、芳香煌、酮、醇、醛、鹵代燒等有機(jī)溶劑和氣體，尾氣中有機(jī)物的回收率達(dá)98%以上11。ACF用于處理生產(chǎn)廢水的目的是：除去BOD、COD、TOC、顏色、臭味、油、苯酚等，除去阻礙生物處理的物質(zhì)和生物難于分解的物質(zhì)，除去汞及其他金屬，除去放射性核素，制備再循環(huán)水。ACF對(duì)飲用水凈化有特殊功能,載銀的ACF具有很好的抗菌活性,可用來軟化飲用水并除去水中的細(xì)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(shí)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(jī)廢水不僅

17、吸附速度快而且再生容易。ACF對(duì)金屬離子有較文？的吸附能力，故可將其用來處理無機(jī)廢水。ACF還可吸附水溶液中的Au3+,Pt4+,Fe3+并將其分別復(fù)原為Au,Pt2+,Fe2+。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(duì)NO的催化復(fù)原作用比單一組分催化劑對(duì)NO的轉(zhuǎn)化率更高，溫度適應(yīng)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(dǎo)熱性能，摻入催化劑中，能有效地提高催化劑的傳熱能力，對(duì)于放熱劇烈的反應(yīng)尤為有利。用ACF制作的負(fù)載型催化劑，可用于化工反應(yīng)體系、冶金、選礦的廢氣治理及7車尾氣治理等12。負(fù)載某金屬如Cu的ACF,可在一定條

18、件下將NOx復(fù)原為N2,將CO在室溫下就能轉(zhuǎn)化為CO2等。負(fù)載金屬氫氧化物的ACF也是良好的催化劑，可將NO復(fù)原為N2用ACF制成的防毒面具及化學(xué)防護(hù)衣適合有毒氣體崗位的化學(xué)防護(hù)。此外，可防化學(xué)輻射，用于制作防化學(xué)輻射器材。ACF環(huán)境監(jiān)測儀器使用、攜ACF對(duì)大氣、水中痕量物質(zhì)有優(yōu)良的吸附性能。已發(fā)明的帶方便。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(chǎn)的低沸點(diǎn)化合物、脂肪族化合物、及某些危害人體健康的有機(jī)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(nèi)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(xué)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(jià)高，是GAC勺10倍以上，故其應(yīng)用受到限制,沒有活性炭顆粒應(yīng)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(diǎn)將會(huì)是:(1)改良設(shè)備、完善工藝、降低生產(chǎn)成本；(2)加強(qiáng)ACF制備理論的研究，以為生產(chǎn)出有更高比外表積和吸附容量的ACF提供理論基礎(chǔ);(3)不斷開發(fā)新的原料，生產(chǎn)出更多品種的ACF;(4)制備出與其它功能材料復(fù)合的ACF,使其成為多功能復(fù)合材料。參考文獻(xiàn)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(jī)物在