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
Study on Adsorption and Desorption of Activated Carbon
Fibers
CHENG Ping
(School of Environmental and 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. 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; preparation means; desorption technology; application fields 1.活性炭纤维的特征意义
1.1活性炭纤维定义
活性炭纤维（Activated Carbon Fiber，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。

2.活性炭纤维的制备技术
2.1预处理
预处理主要分预氧化和盐浸渍两种。

盐浸渍顾名思义就是把原料纤维充分浸渍在盐溶液中, 之后将其干燥。

此方法比直接进行炭化或活化的既提高收率, 同时也改善了其纤维力学和吸附性能。

预氧化处理一般采用空气预氧化, 原料纤维在一定的温度范围内, 慢慢预氧化一段时间, 或按照一定升温程序升温预氧化[6]。

预氧化主要是防止纤维高温炭化和活化的时候发生熔融并丝。

将预氧化和盐浸渍处理相结合效果最佳。

2.2炭化
炭化就是在N2等惰性气体的环境下在800～1000℃对纤维进行热处理, 然后除掉大部分非碳的成分, 最后形成有类似石墨微晶结构的炭化纤维。

2.3活化
活化是在高温下用氧化性气体刻蚀炭化纤维, 使所得ACF 具有理想的微孔结构和较高的比表面积。

活化的方法有化学活化法和气体活化法。

用于活化的气体有CO2和O2等。

水蒸汽、二氧化碳和碳的反应是吸热反应; 氧和碳的反应是强放热反应, 难于控制反应温度。

3.活性炭纤维的脱附技术
3.1过热蒸汽脱附再生
利用吸附剂达到平衡后所吸附的介质在过热蒸汽或空气作用下进行热解和气提，从吸附剂中解吸出去。

再生效果通常与吸附质的性质，特别是挥发性有关。

因为ACF具有疏水性，所吸附的有机成分有较好的挥发性，用一般的空气或者过热水蒸汽就能得到不错的解吸效果。

而有些有机物含有特殊的官能团沸点较高，使其随水蒸汽或空气挥发的可能性小；还有某些低分子醇，沸点低但是亲水性强，也不易随空气或者水蒸气挥发，所以为了有效脱除这类吸附物，须用较高温度的过热水蒸汽或空气根据热分解和高温挥发的双重作用解吸再生，如200～500 ℃的过热水蒸汽等[7]。

但要值得注意的是：吸附完成后吸附剂还含有约4～5 倍自身重量的水难以用机械或气
体吹脱方式除去水蒸汽的存在，不利于有机吸附质的热解，吸附剂再生效率受到一定影响解吸再生下来有机组分全部溶入饱和蒸汽中，需要冷凝处理。

3.2电流加热脱附再生
ACF既有良好的吸附性能，同时又是良好的导体。

向活性炭纤维上给予一定的电流，用其自身的电阻产热，使纤维上的有机吸附物组分升温发生热解吸，后通过空气、氮气等适量的气提介质将其氧化分解、气提出去，最后活性炭纤维得到再生[8]。

因为电加热时产生的热量较大，不用向系统中引入蒸汽和水，于是再生可以在很短的时间内完成。

这种方法具有再生彻底、速度快、设备简单、易操作的优点。

注意点就是活性炭纤维起发热作用的电阻是由纤维束或纤维毡紧密压实结合成的整体产生的。

压实密度和均匀性容易导致局部电流分布不均。

因为不能采用过高的电流，所以限制了大的加热功率，如果要使活性炭纤维的快速再生，就必须对较大处理装置进行分段分解再生或者降低单个处理装置的规模。

3.3电加热脱附再生
电加热属于热再生的一种方式，因为活性炭纤维导热性能良好，局部受热后的热量能快速扩散到其它部位，特别是气提介质的流动，可以在很短的时间里使均匀受热，温度能够迅速提高。

相比电流加热的方式，电加热缓解了局部过热的问题，所以对气提介质的选择范围更大一点，既可采用氮气等惰性气体，也可以采用空气。

同时对吸附处理装置的材料要求较低。

在电加热再生过程中，为提高电的加热效率和使热量分布均匀，加热电阻应与活性炭纤维材料充分接触，减少死角。

3.4微波脱附再生
微波加热是一种全新的热能技术，与传统加热不同，微波加热不需要外部热源，而是向被加热材料内部辐射微波电磁场，推动其偶极子运动，使之相互碰撞、摩擦而生热。

首先，加热速度快。

由于微波能够深入含有一定水量的活性炭纤维内表面，从内部发生热量，减少了热传导阻力，将使加热速度提高了数十倍[9]。

其次，由于微波从内部发生热量，并对特定的需要加热的材料进行加热，而产生微波的装置本身不产生热辐射，热效率较高。

第三，由于维持一定的微波频率和电场强度，受热体对微波功率的吸收仅取决于其不同的损耗因数，因水的损耗因数比干活性炭纤维大，水因吸收的热量多而得到快速的蒸发，避免了局部干活性炭纤维的过热干燥和热破坏，使整个活性炭纤维再生过程受热均匀。

注意点：微波再生装置一次性投资较高，但能耗较低，因此应在处理规模的基础上进行
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。

5.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。

6.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
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