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、表面積大、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(shì)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Study on Adsorption and Desorption of Activated Carbon FibersCHENG Ping(School of Environmental and

2、 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.

3、 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;

4、 preparation means; desorption technology; application fields1.活性炭纖維的特征意義1.1活性炭纖維定義活性炭纖維（Activated Carbon Fiber，簡(jiǎn)稱ACF）是經(jīng)過活化的含炭纖維，簡(jiǎn)單地說它是將某種含碳纖維經(jīng)過高溫活化，然后表面出現(xiàn)納米等級(jí)的孔徑，比表面積增加，物化特性也隨之改變1。1.2比傳統(tǒng)活性炭?jī)?yōu)勢(shì)的體現(xiàn)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

5、倍。近20多年活性炭纖維才開始使用，只有個(gè)別國(guó)家能生產(chǎn)它。它的原料可以是紙、布、絲等形式，它的市場(chǎng)價(jià)格比較高，40萬/噸左右，(煤質(zhì)活性炭?jī)r(jià)格1萬/噸左右，椰殼活性炭?jī)r(jià)格2萬/噸左右)。但它的制品成本只略有提高是因?yàn)樗闹亓勘容^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具有比表面積大、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)。1.3活性炭纖維的結(jié)構(gòu)1.3.1物理結(jié)構(gòu)ACF 微孔為主要孔，達(dá)到總體積90 %以上, 無大孔過渡孔, 孔徑單分散而且小3。ACF 的孔徑小, 所以吸附分子進(jìn)入微孔時(shí)被孔壁向內(nèi)

6、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表面, 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。1.3.2化學(xué)結(jié)構(gòu)ACF內(nèi)碳元素量達(dá)到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 ?；钚蕴坷w維表面的碳和氧元素能結(jié)合形成一系列支配表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的含氧官能團(tuán)4。1.4活性炭纖維的特點(diǎn)比表面積大，一般可達(dá)1000到1500m2/g,吸附容量是粒狀活性炭的5到10倍。外表面積大，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

7、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。2.活性炭纖維的制備技術(shù)2.1預(yù)處理預(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)合效果最佳。2.2炭化炭化就是在N2等惰性氣

8、體的環(huán)境下在8001000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。2.3活化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)和較高的比表面積?；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CO2和O2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。3.活性炭纖維的脫附技術(shù)3.1過熱蒸汽脫附再生利用吸附劑達(dá)到平衡后所吸附的介質(zhì)在過熱蒸汽或空氣作用下進(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)

9、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??；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200500 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。3.2電流加熱脫附再生ACF既有良好的吸附性能，同時(shí)又是良好的導(dǎo)體。

10、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8。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(jiǎn)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。3.3電加熱脫附再生電

11、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。3.4微波脫附再生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)部輻射微波電磁場(chǎng)，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

12、度快。由于微波能夠深入含有一定水量的活性炭纖維內(nèi)表面，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9。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(chǎng)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)，避免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)上進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后采用。3.5其他脫附再生方法其他可用于活性炭纖維再

13、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)備要求高、能耗大、控制系統(tǒng)嚴(yán)格等。4.國(guó)內(nèi)外活性炭纖

14、維發(fā)展趨勢(shì)4.1國(guó)外活性炭發(fā)展趨勢(shì)世界ACF的工業(yè)化生產(chǎn)已從西方轉(zhuǎn)向中國(guó)等發(fā)展中國(guó)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(zhǎng)，水處理行業(yè)一直是活性炭消費(fèi)的巨大市場(chǎng)。其它需求增長(zhǎng)較快的領(lǐng)域包括氣體處理市場(chǎng)，美國(guó)在此領(lǐng)域的消費(fèi)量中期內(nèi)將增長(zhǎng)5。最大的潛在活性炭應(yīng)用市場(chǎng)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。4.2國(guó)內(nèi)活性炭發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)一直是美國(guó)最大的活性炭輸出國(guó)，日本是世界活性炭使用僅次于美國(guó)的國(guó)家，位居全球第2，日本也是我國(guó)第1活性炭出口目的地。我國(guó)活

15、性炭出口的3大地區(qū)除東亞、美國(guó)之外，歐洲市場(chǎng)也是我國(guó)傳統(tǒng)的活性炭出口目的地。我國(guó)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5.1活性炭纖維在電子工業(yè)中的應(yīng)用有些電子元件, 如電阻型濕度檢測(cè)元件等, 長(zhǎng)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(cè)量精度下降。若用ACF 制作多孔吸濾罩將該元件保護(hù)起來, 則可避免上述問題, 從而可以保持其檢測(cè)靈敏度。利用ACF 的比表面積大, 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

16、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。比表面積大的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。5.2活性炭纖維在氣體處理中的應(yīng)用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

17、硫活性的ACF 主要是由聚丙烯腈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)尾氣中回收烷烴、烯烴、芳香烴、酮、醇、醛、鹵代烴等有機(jī)溶劑和氣體, 尾氣中有機(jī)物的回收率達(dá)98 %以上11。5.3活性炭纖維在水處理中的應(yīng)用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, 除去妨礙生物處理的物質(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

18、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)廢水不僅吸附速度快而且再生容易。ACF 對(duì)金屬離子有較好的吸附能力, 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+并將其分別還原為Au，Pt2+ , Fe2+。5.4活性炭纖維作為催化劑和催化劑載體應(yīng)用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 的催化還原作用比單一組分催化劑對(duì)NO 的轉(zhuǎn)化率更

19、高, 溫度適應(yīng)范圍廣, 催化劑壽命長(zhǎng)。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、選礦的廢氣治理及汽車尾氣治理等12。負(fù)載某金屬如Cu 的ACF, 可在一定條件下將NOx 還原為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還原為N2。5.5活性炭纖維在其他領(lǐng)域的應(yīng)用5.5.1勞保防護(hù)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

20、材。5.5.2環(huán)境監(jiān)測(cè)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ACF 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器使用、攜帶方便。5.5.3溶劑回收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。5.5.4醫(yī)療服務(wù)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的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)改進(jìn)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)出有更高比表面積和吸附容量的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