活性炭纤维的应用

活性炭纤维的制备与应用进展

摘要：活性炭纤维（ACF）是20世纪60年代发展起来的一种性能优于粉末活性炭和粒状活性炭的新型吸附材料。该材料的特性有：孔径分布窄、微孔丰富、具有大的比表面积、独特的表面化学性质和吸附脱附速度快等。正是由于这些特性，近年来活性炭纤维得到了迅速的发展，广泛应用于各个领域。本文主要介绍了活性炭纤维的制备工艺、结构与性能及其实际应用。

关键词：活性炭纤维（ACF）；制备；性能；应用。

1引言

活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,简称ACF)是继粉状活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)以后的第三代产品，是在20世纪60年代逐渐发展起来的新型活性炭。ACF主要分为粘胶基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯腈基ACF、沥青基ACF等。ACF与以往的活性炭相比,比表面积大,含量丰富的微孔占总体积的90%左右,孔径分布狭窄且均匀,微孔孔径大多在1nm左右,没有大孔和过渡孔,吸附、脱附速度快、可塑性和再生性强。ACF表面有各种官能团,对于金属离子、某些有机物及某些气体有很好的选择性吸附功能,是一种新型的高效吸附剂。

2活性炭纤维的制备

活性炭在工程中应用会在吸附层中出现松动和沟槽，有时会出现吸附层过分密实，导致流体阻力增加从而影响正常操作。为了提高吸附效果人们尝试将粉状活性炭或细粒活性炭粘附在有机纤维上或灌入空心的有机纤维中，制成纤维状活性炭，但效果不理想，于是人们后来开始探索用有机纤维为原料制备活性炭。

2.1活性炭纤维的原料来源

目前用于制造ACF纤维的原料除了沥青纤维、聚丙烯睛纤维、粘胶纤维(再生纤维素)、酚醛纤维外，还出现了如苯乙烯/烯烃共聚物，聚偏二氯乙烯，聚酸亚氨纤维、木质纤维和一些天然纤维等。前四种已经实现大规模生产并付诸工业化。

不同的原料纤维有不同的生产工艺，制成的ACF的性能也有所不同。不同原料生产的ACF 的主要优缺点如表2-1所示[1-3]

表2-1 不同原料生产的ACF的主要优缺点

种类

主要优缺点

沥青基

原料低廉，产品收率高，但杂质含量高，

不易制得，连续长丝，深加工困难，强度低

聚丙烯腈基

结构中含有S、N化合物，有催化剂作用，吸附性能好，

工艺简单成熟，但比表面积较小，成木高

粘胶基

原料低廉.制成品比表面积大.吸附性能好，

但产品收率低，强度低，生产工艺复杂

酚醛基

原料低廉.耐热，不需要进行预处理，产品收率高，

比表面积大，工艺简单

2.2活性炭纤维的预处理与制备方法

生产活性炭纤维的工艺根据前驱体材料的不同有所不同，但所有的前驱体材料都要经过预处理、碳化、活化而成，原材料首先经预处理成为可碳化纤维，再进一步经碳化和活化成为活性炭纤维制品[4]。

预处理：即稳定化处理，主要目的是使纤维不融化，在碳化和活化的高温过程中保持纤维原形。主要有盐浸渍和预氧化两种方式[3,5,6]。盐浸渍是将原料纤维充分浸渍在盐(磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐等)溶液中，然后使其干燥。该法用在粘胶基ACF生产中，与直接进行炭化或活化的相比，既可提高收率，同时其纤维力学和吸附性能也得到改善，预氧化处理一般采用空气预氧化的方法，原料纤维在一定的温度范围内，缓慢预氧化一定时间，或者按照一定升温程序升温预氧化。

碳化:碳化是生产活性炭纤维的重要环节。炭化是在惰性气体(如氮气或氩气等)环境下于800～1000℃对纤维进行热处理，排除大部分非碳成分，形成具有类似石墨微晶结构的炭化纤维。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:是指碳化纤维经活化剂处理后，产生大量的空隙，并伴随着比表面积的增大和重量损失，同时形成一定量的活性基团的过程。活化条件和程度影响产品的结构和性能。影响活化的主要因素有：活化剂种类、活化温度、活化时间、活化剂浓度。

以丙烯烃系、沥青系为例，图1、图2分别介绍了丙烯烃系、沥青系ACF制造工艺流程。

3活性炭纤维的结构与性能

碳纤维经活化后，原纤维的结构被破坏，局部形成类石墨微晶，碳原子以乱层堆叠的类石墨微晶片层形式存在:由于微晶片层在二维空间的有序性较差，平均尺寸非常小[7]，同时碳化及活化过程形成的结构缺陷，所以构筑了ACF相互交织的微孔网络[8-9]。

3.1活性炭纤维的微观结构

ACF以其表面大量的不饱和碳构筑成了独特的吸附结构，它是一种典型的微孔炭，被认为是“超微粒子、表面不规则的构造以及极狭小空间的组合”[10]。其含有的许多不规则结构(杂环结构)或含有表面官能团的微结构，具有极大的表面积，也就造就了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供一个吸附态分子物理和化学变化的高压体系。

ACF不含有大孔，其微孔占大多数。当微孔与分子尺大大小相当时，在范德华力的作用下，相距很近的相对孔壁的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加。ACF外表面积的孔口多，容易吸附和脱附，而且吸脱行程短，吸附质到达吸附位的扩散路径较GAC短，驱动力大，因此ACF吸脱速率快，吸附容量大，效率高。

3.2活性炭纤维的吸附性能

ACF的结构特征属于非极性吸附剂，在多数情况下，比表面积和孔径是影响吸附性能的关键因素。表3-1列出日本群荣化学工业公司生产大的商品酚醛基ACF及其他类型ACF的性能[4]。表3-1 ACF性能比较

种类

纤维直径

(um)

比表面积

(m2/g)

外表面积

(m2/g)

微孔容积

(ml/g)

平均孔径(nm)

抗张强度

(kg/mm2)

酚醛基

9-11

100-2300

1.0-1.2

0.5-1.2

1.5-3.0

30-40

粘胶基

15-18

1000-1500