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活性炭纤维
(ACTIVATED CARBON FIBERS, ACF)

  活性炭纤维(ACF),亦称纤维状活性炭,是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过50%的碳原子位于内外表面,构筑成独特的吸附结构,被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体,经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量,且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状,并具有耐酸碱耐腐蚀特性,使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。目前已在环境保护、催化、医药、军工等领域得到广泛应用。
  自1962年美国专利首次涉及随后美国ORNL使用活性炭纤维过滤放射性碘辐射以来,不同前驱体有机纤维及其活性炭纤维的研究和应用得到快速发展。美国、英国、前苏联、特别是日本,是研究和使用ACF的大国,年产量近千吨。国内的ACF研究起始于80年代末期,到90年代后期陆续出现工业化装置。大多处于实验室研究阶段。

制造方法  

前驱体原料的不同,ACF的生产工艺和产品的结构也明显不同。ACF的生产一般是将有机前驱体纤维在低温200 ℃~400 ℃下进行稳定化处理,随后进行(炭化)活化。常用的活化方法主要有:用CO2或水蒸汽的物理活化法以及用ZnCI2,H3PO,H2PO4,KOH 的化学活化法,处理温度在700 ℃~1 000 ℃间,不同的处理工艺(时间,温度,活化剂量等)对应产品具有不同的孔隙结构和性能。用作ACF前驱体的有机纤维主要有纤维素基,PAN基,酚醛基,沥青基,聚乙烯醇基,苯乙烯/烯烃共聚物和木质素纤维等。商业化的主要是前4种。

  结构特征  

活性炭纤维是一种典型的微孔炭(MPAC),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”,直径为10 μm~30 μm。孔隙直接开口于纤维表面,超微粒子以各种方式结合在一起,形成丰富的纳米空间,形成的这些空间的大小与超微粒子处于同一个数量级,从而造就了较大的比表面积。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,具有极大的表面能,也造就了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场,提供了一个吸附态分子物理和化学变化的高压体系。使得吸附质到达吸附位的扩散路径比活性炭短、驱动力大且孔径分布集中,这是造成ACF比活性炭比表面积大、吸脱附速率快、吸附效率高的主要原因。

  功能化方法  

功能化主要通过孔隙结构控制和表面化学改性来满足对特定物质的高效吸附转化。

ACF通常适用于气相和液相低分子量分子(MW=300以下)的吸附。当吸附剂微孔大小为吸附质分子临界尺寸的两倍左右时,吸附质较容易吸附。孔径调整的目的就是使ACF的细孔与吸附质分子尺寸相当,通常采用下列方法:1)活化工艺或活化程度的改变(至纳米级);2)在原纤维中添加金属化合物或其它物质经炭化活化,或采用ACF添加金属化合物后再活化(中孔为主),原料纤维预先具有接近大孔的孔径(大孔);3)烃类热解在细孔壁上沉积、高温后处理(使孔径变小)。

表面化学改性主要改变ACF的表面酸、碱性,引入或除去某些表面官能团。经高温或经氢化处理可脱除表面含氧基团(还原);通过气相氧化和液相氧化的方法可获得酸性表面。改性需综合考虑物理结构与化学结构的影响。

  应用  

1)可有效地将工业加工生产中产生的低沸点化合物、脂肪族化合物、及其它VOCS等危害人体健康的有机溶剂(毒剂)脱除并回收(装置质轻高效);2)制造的净水装置高效可靠、处理量大、装置紧凑;3)空气净化装置具有较强的转化臭氧能力,对3,4-苯并芘和醛类物质、硫醇类物质、氨、硫化氢等具有特殊的吸附能力,对烟碱的吸附率也很高;借助于碱洗,PAN基活性炭纤维对烟道气中SO2具有较好的脱除能力,沥青基活性炭纤维在经历850 ℃高温处理后对处理NOX效果较好;另外,ACF在储能材料、隐身材料、核防护材料、催化剂载体、生理除味保健、防毒防化、血液净化、人工肝脏和肾脏、水果储存保鲜、除臭除湿、高能电极及双层电容等方面都有着极大的开发与利用潜力。

ACF市场开发滞后导致对它的需求量的增长速率较小;而较小的生产规模又不利于打开和占领市场。但ACF价格的居高不下始终是限制其广泛应用的主要因素。低成本、高密度、高强度的活性炭纤维应是研究开发的重点。

郑经堂供稿
From 新型炭材料 2000 Vol.15 No.2 P.80

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