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