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活性炭纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)，亦稱纖維狀活性炭，是20世紀(jì)60年代繼粉末狀、粒狀活性炭之后發(fā)展起來(lái)的第三代高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料，其超過(guò)50%的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前軀體經(jīng)過(guò)碳化、活化制成。活性炭纖維是由C，H，O3種元素組成的，主要成分是碳。碳原子以類似石墨微晶片層形式存在，約占總數(shù)的60%，含氧官能團(tuán)如羥基、醚基約占25%，羰基、羧基、酯基約占10%，此外還有其它形式的官能團(tuán)以及金屬等。活性碳纖維的基本性能取決于其前驅(qū)體的物理和化學(xué)性質(zhì)，而它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用又是由其基本性能決定的。與傳統(tǒng)炭吸附材料相比，ACF具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，因而它具有含碳量高、比表面積大、微孔豐富且分布窄，吸附速度快，吸附容量大，再生容易等后者不可比擬的優(yōu)異吸附脫附性能。活性炭纖維的比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，微孔體積占總體積90%左右，其微孔直徑為10μm～40μm。

2 活性炭纖維的分類與制備工藝

隨著科研和技術(shù)的不斷進(jìn)步，ACF的種類日趨繁多，根據(jù)其生產(chǎn)過(guò)程的前驅(qū)體不同分為粘膠基、酚醛基、聚丙烯腈基、瀝青基、聚偏二氯乙烯、聚酰亞胺纖維、PBO纖維、聚苯乙烯、聚乙烯醇纖維等等。目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是前4種。

由于原料不同，生產(chǎn)工藝流程也有所不同。綜合考察各種原料纖維到ACF的制備工藝，可將ACF整個(gè)制備過(guò)程歸納為:原料纖維、可炭化纖維、炭化纖維、活性炭纖維。原料纖維的預(yù)處理有兩種類型，它們分別有不同的作用，其一為無(wú)機(jī)鹽溶液浸漬預(yù)處理，能改善活性炭纖維的結(jié)構(gòu)、性能和提高產(chǎn)品的產(chǎn)率。其二為預(yù)氧化穩(wěn)定化處理，能保持纖維形狀，在炭化過(guò)程中不熔融變形，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。炭化過(guò)程是在氮?dú)鈿夥罩屑訜幔懦w維中可揮發(fā)的非碳組分，使殘留碳重排生成類石墨微晶的過(guò)程。炭化過(guò)程直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)率和性能。活化反應(yīng)是使ACF生成豐富微孔，高比表面積及形成含氧官能團(tuán)的主要過(guò)程。常見(jiàn)的活化方法主要有用CO2或水蒸汽的物理活化和用ZnCl2，H2PO4，KOH的化學(xué)活化，處理溫度在700～1000℃間。常用活化劑有水蒸氣和二氧化碳。

3 活性炭的結(jié)構(gòu)特征和性能

3.1 結(jié)構(gòu)

炭纖維經(jīng)活化后，碳原子主要以類似石墨微晶片層、乳層堆疊的形式存在。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有發(fā)達(dá)的比表面積，比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，形成大量微孔，孔徑為10μm-40μm，且分布狹窄而均勻，微孔面積占總體積的90%左右。含有許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)—雜環(huán)結(jié)構(gòu)或含有表面官能團(tuán)的微結(jié)構(gòu)，具有極大的表面能。從而也就造就了微孔相對(duì)孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場(chǎng)，提供了一個(gè)吸附態(tài)分子和化學(xué)變化的高壓體系。使得吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑比活性炭短、驅(qū)動(dòng)力大且孔徑分布集中，這是造成ACF比活性炭比表面積大、吸脫附速率快、吸附效率高的原因。另可通過(guò)適當(dāng)?shù)谋碛^改性，改變ACF表面的化學(xué)基團(tuán)的種類和含量，來(lái)滿足對(duì)特定物質(zhì)的高效吸附轉(zhuǎn)化。ACF通常適用于氣相和液相低分子量分子的吸附。當(dāng)吸附劑微孔大小為吸附質(zhì)分子臨界尺寸的兩倍左右時(shí)，吸附質(zhì)較易吸附。調(diào)整孔徑的目的就是使ACF的細(xì)孔與吸附質(zhì)分子尺寸相當(dāng)，改性需綜合考慮物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 性能

活性炭纖維與傳統(tǒng)炭材料相比具有以下優(yōu)良性能:

3.2.1 吸附容量大

ACF的吸附作用一直是人們研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，活性炭纖維具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，因而吸附量大。對(duì)有機(jī)氣體、惡臭、腥臭物質(zhì)，水溶液里的無(wú)機(jī)物、染料、有機(jī)物及重金屬離子吸附量比顆粒狀、粉狀活性炭高幾倍至幾十倍。對(duì)細(xì)菌、低濃度吸附質(zhì)的吸附能力特別優(yōu)良。

3.2.2 吸附脫附速度快

ACF表面主要是孔徑分布集中的微孔，吸附質(zhì)無(wú)需象活性炭一樣經(jīng)長(zhǎng)距離的大孔，過(guò)渡孔到達(dá)微孔，粒內(nèi)擴(kuò)散阻力小，因而吸附速度快，對(duì)氣體液體的吸附一般能在數(shù)十秒至數(shù)分種內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。脫附速度快，且再生容易，用120～150℃熱空氣加熱10～30min即可完全脫附。在多次吸、脫附過(guò)程中，仍能保持原有的吸附性能。

3.2.3 氧化還原及催化特性

活性碳纖維的氧化還原性能在其溶液中吸附金屬離子時(shí)表現(xiàn)最為明顯。活性炭纖維的氧化還原特性是由一系列電極電位不同的表面活性基團(tuán)引起的，活性炭纖維可以作為還原劑，也可用作氧化劑，這取決于所用體系的電位高低。活性炭纖維在一定的催化溫度下表現(xiàn)出很高的催化特性，通過(guò)用H2SO4活化ACF，使其表面有催化能力，可以在NH3存在下把NO還原成N2。

31214 其它特性

ACF還兼有纖維的各種特性，能制成纖維束、紙、布、氈等形狀，且性能良好，還能耐高溫、酸、堿，且能對(duì)活性炭纖維進(jìn)行改性，大大拓寬其用途。由于以上性能，活性炭纖維一問(wèn)世就得到人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，目前被廣泛應(yīng)用于冶金、食品、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。

4 活性炭纖維在揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著有機(jī)化工產(chǎn)品在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)入大氣中的有機(jī)污染物越來(lái)越多，主要是低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的有機(jī)物(VOCs)。它們主要來(lái)源于石油化工行業(yè)所排放的廢氣;造紙、油漆、涂料、采礦和紡織等行業(yè)所排放的有機(jī)溶劑。其中工業(yè)生產(chǎn)中的涂裝業(yè)是廢氣污染嚴(yán)重的行業(yè)，涂料則是起主導(dǎo)作用的第一要素。涂裝作業(yè)中所使用的涂料，大部分為溶劑性涂料，其溶劑含量為60%左右，這部分溶劑最后都散發(fā)到作業(yè)環(huán)境和大氣中去，不但浪費(fèi)資源，而且給工人的健康和大氣環(huán)境造成危害，其中70%左右的溶劑在工人噴涂及流平階段揮發(fā)，通過(guò)抽風(fēng)系統(tǒng)排出，30%左右的溶劑在工件涂層固化階段前期，通過(guò)固化設(shè)備的排氣系統(tǒng)排出。目前，我國(guó)常用涂料所產(chǎn)生的廢氣種類有三苯(苯、甲苯、二甲苯)、苯乙烯環(huán)己酮、丙酮、松節(jié)油，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、溶劑汽油、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等。其中，溶于水的有丙酮、醇類等;微溶于水的有醋酸乙酯、醋酸丁酯等，不溶于水的為三苯等。綜觀國(guó)內(nèi)外該類有害氣體的治理技術(shù)，一類是采用焚燒和催化燃燒的凈化技術(shù)，另一類是吸附后的回收利用技術(shù)。從符合可持續(xù)發(fā)展的要求看吸附法更為適用。由于ACF具有優(yōu)良的吸附脫附性能，可有效地將生產(chǎn)中產(chǎn)生的低沸點(diǎn)化合物、脂肪族化合物及VOCs等危害人體健康的有機(jī)溶劑脫除并回收，因此ACF起著替代顆粒和粉末活性炭在有機(jī)廢氣處理中的作用。

4.1 含苯系物廢氣處理

在噴漆行業(yè)中，大量的苯、甲苯、二甲苯等有機(jī)廢氣排放到空氣中，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，金毓荃等用比表面積為1200m2/g。纖維絮片單層厚度2mm的活性炭纖維處理苯系廢氣，當(dāng)在濾速為0.20m/s以下時(shí)，ACF對(duì)苯、甲苯、二甲苯及其混合物的凈化效率高達(dá)90%以上，ACF對(duì)3種不同物料的凈化效率依次是鄰二甲苯>甲苯>苯;在濾速為0.20m/s，ACF對(duì)苯系混合物的吸附容量為195mg/g左右;對(duì)ACF進(jìn)行脫附后再進(jìn)行吸附，連續(xù)14次實(shí)驗(yàn)其結(jié)果基本保持不變。汪明光等開發(fā)了活性炭纖維吸附處理含甲苯廢氣技術(shù)，并用熱風(fēng)解吸工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在中試實(shí)驗(yàn)裝置中，活性炭纖維用量510kg，裝料厚度50mm下經(jīng)過(guò)吸附、脫附實(shí)驗(yàn)，進(jìn)口濃度為1600mg/m3的廢氣吸附1h，每公斤ACF的吸附量為0.22～0.25kg甲苯。用熱風(fēng)反吹吸附后的裝置可達(dá)到解吸的目的，在脫附開始15～20min內(nèi)，脫附率可達(dá)80%以上。

中國(guó)石化集團(tuán)揚(yáng)子石化公司貯運(yùn)廠204棧臺(tái)共有裝卸車鶴管24套，用于裝卸苯及二甲苯，裝車過(guò)程產(chǎn)生的有害氣體，原設(shè)計(jì)由尾氣總管，經(jīng)氣流分離罐、排氣筒高空排放。由于排放氣中芳烴濃度較高，棧臺(tái)周圍環(huán)境中苯含量超標(biāo)，影響職工的身體健康。當(dāng)在棧臺(tái)尾部設(shè)計(jì)了一套FAC吸附—解吸裝置后，回收溶液中苯含量高達(dá)97%，效益可觀。

4。2 醋酸丁酯廢氣處理

目前，許多涂裝行業(yè)采用醋酸丁酯作溶劑，故生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的含醋酸丁酯廢氣，造成污染。孫彤等用活性碳纖維作為吸附材料，以恒溫恒壓的空氣作載氣，通過(guò)鼓泡法配置一定濃度的醋酸丁酯氣體，當(dāng)氣速為0.06m/s時(shí)，ACF平衡吸附量近600mg/g，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度、氣體流速、氣體濃度3個(gè)因素中，溫度對(duì)ACF的平衡吸附量影響最大，隨著溫度的升高，ACF對(duì)醋酸丁酯的平衡吸附量下降，傳質(zhì)系數(shù)減少，穿透層高度增大。

4.3 含烷烴廢氣處理

徐雪峰等以ACF為吸附材料，采用吸附法對(duì)含環(huán)己烷有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附、回收、凈化處理，運(yùn)行結(jié)果表明，在廢氣量為50～300m3/h，廢氣含環(huán)己烷質(zhì)量百分率為0.1～1.34%的條件下，用活性炭纖維進(jìn)行吸附解吸，環(huán)己烷的回收率達(dá)88%，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。在感光膠片的生產(chǎn)過(guò)程中有大量的二氯甲烷廢氣排出。李守信等在二氯甲烷廢氣的治理工程中，設(shè)計(jì)采用三箱吸附系統(tǒng)，當(dāng)廢氣流量為10000m3/h，廢氣中二氯甲烷濃度為3000mg/m3的條件下，設(shè)備裝置經(jīng)過(guò)半年時(shí)間，運(yùn)行狀況一直良好，吸附效率一直保持在97%以上，大大改善了大氣環(huán)境，每年凈收益達(dá)7514萬(wàn)元。

4.4 甲醇廢氣處理

陸安慧等研究了PAN基炭纖維預(yù)氧氈、炭氈、空氣氧化氈、KOH活化氈對(duì)甲醇這種有極性的小分子的吸附性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)活化程度高的ACF對(duì)甲醇蒸氣表現(xiàn)出較高的吸附能力。P.Navarri等對(duì)二甲醛和乙酸乙酯利用炭纖維材料進(jìn)行吸附處理，著重研究了不同碳纖維、纖維層數(shù)、不同氣體以及氣體濃度間的關(guān)系，取得了較好的效果。ACF吸附容量大而且脫附速度快，在溶劑回收方面也得到應(yīng)用。在回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2000×10-6的含酮混合溶劑中，回收率達(dá)98%，在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的應(yīng)用中，回收率均高于97%。

5 前景展望

活性炭纖維是一種用途廣泛，極具前景的新材料，正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用。國(guó)際上，ACF應(yīng)用在廢水處理中的研究較多，而對(duì)氣體的處理主要是應(yīng)用在空氣凈化、除臭等方面，隨著對(duì)ACF的形成機(jī)制與吸附機(jī)理所深入研究，技術(shù)不斷進(jìn)步，ACF在處理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣方面將得到更為廣泛的使用。自1962年美國(guó)專利首次涉及，隨后美國(guó)ORNL使用活性炭纖維過(guò)濾放射性碘輻射以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)、特別是日本，是研究和使用ACF的大國(guó)，年產(chǎn)量近千噸。國(guó)內(nèi)的ACF研究起始于80年代末期，到90年代后期陸續(xù)出現(xiàn)工業(yè)化裝置。但活性炭纖維由于其價(jià)格是粒狀活性炭的10倍以上，如活性碳纖維氈的售價(jià)比表面積為1200～1400m2/g，每公斤為360元左右;比表面積1400～1600m2/g，售價(jià)為430元左右。因此ACF價(jià)格的居高不下始終是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。低成本、高密度、高強(qiáng)度的活性炭纖維應(yīng)是今后研究開發(fā)的重點(diǎn)。如A。B。Fuertes等用廢棄的聚合物纖維經(jīng)過(guò)一定加工與活化過(guò)程，制成了一種吸附性能優(yōu)良的整體活性碳纖維，大大降低了生產(chǎn)成本。國(guó)外對(duì)ACF的應(yīng)用已進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)，目前我國(guó)還處于研究中試階段，相信隨著生產(chǎn)成本的降低以及表面結(jié)構(gòu)與性能的深入研究，ACF將在環(huán)保材料中占有越來(lái)越重要的地位。

來(lái)源:VOCs治理減排技術(shù)  作者:楊芬 劉品華