活性炭2

1、 活性炭纤维 材料学院 班级：无机091 姓名：杨平 学号 2009015034 活性炭纤维 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。 活性炭纤维是20 世纪60 年代随着炭纤维工业的发展而发展起来的, 最先问世的是黏胶基活性炭纤维。日本是开发活性炭纤维最早的国家, 目前总产量达千吨。我国一些大学和科研单位从70 年代就开始了ACF 的研制工作, 到90 年代末开始进入工业化生产时期。目前用作ACF 前驱体的有机纤维主要有黏胶基、聚丙烯腈基、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, 其中前4 种均已实现工业化。ACF 的开发受到英、美、日本等许多国家的

2、重视, 尤其在日本已形成一定的生产规模, 价格也下降到每公斤几千日元, 与GAC 的价格差距已很小。国内由于未形成规模生产, 价格较高, 使其应用受到了限制, 但从开发利用ACF 的国内外发展趋势看, 其前景是相当乐观的。 一.活性炭纤维的制备工艺常规ACF 生产的工艺路线为: 有机纤维- 预处理-炭化-活化。由于前驱体原料的不同, ACF 的生产也会有所不同, 其在生产中一般是有机前驱体纤维在低温300 左右下进行稳定化处理, ACF 不需单独炭化, 其炭化与表面功能处理可同时进行。在碳含量增加的同时进行活化, 可以使用氯化锌、磷酸、氢氧化钾等活化剂进行化学活化或用二氧化碳或水蒸汽进行物理活化, 温度控制在800 900 。目前, 活性炭纤维的生产主要采用的是水蒸汽活化技术, 这种生产工艺主要存在两个不足: 第一, 采取高温炭化活化不可避免引起碳组分的损失, 产率低,二氧化碳排出量大。第二, 炭化反应和活化反应均在高温进行 , 能耗很高, 设备的损耗也很大。因此造成生产成本增加, 产品价格高。研究开发高产率、低能耗、低成本和高性能的环境功能纤维的新型生产工艺具有实际意义. 二.结构特

3、点 活性炭纤维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” , 孔隙直接开口于纤维的表面, 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, 这是造成活性炭纤维比粒状活性炭比表面积大、吸脱附速率快、吸附效率高的主要原因圈。另外, 活性炭纤维表面含有一系列活性官能团, 主要是含氧官能团, 如经基、碳基竣基等。有的活性炭纤维还含有胺基、亚胺基以及磺酸基等官能团。所以, 活性炭纤维还具有独特的吸附选择特性 三性能特点 1.活性炭纤维的吸附特性 与一般活性炭相比活性炭纤维有许多优异的吸附特性, 这是由活性炭纤维的组成、结构所决定的。 吸附容量大.活性炭纤维对有机化合物蒸汽有较大的吸附量, 如对正丁基硫醇等恶臭物质的吸附量比粒状活性炭大几倍

4、、甚至几十倍。对无机气体有很好的吸附能力。对水溶液中的无机化合物、染料苯酸等有机化合物及贵重金属离子的吸附量比粒状活性炭高。对微生物及细菌也有良好的吸附能力, 吸附速度快。对气体的吸附一般能在数十秒或几分钟内达到吸附平衡, 对液体的吸附也仅需几十分钟达到平衡。同样, 由于纤维较细, 外表面容易被加热, 所以脱附的速度也很快。脱附时,用姚作脱附载体进行就完全脱附, 而粒状活性炭只有稍微脱附。 脱附吸附灵敏度高。就是对低浓度吸附质的吸附能力特别优良, 在表面吸附中, 孔径越小, 其吸附力场越大由于活性炭纤维中占总体积的是微孔, 所以, 活性炭纤维对低浓度吸附质,质,即使对数量级吸附质仍有很高的吸附量。 吸附层薄 采用活性炭纤维吸附层厚度可以比粒状活性炭薄。 2.活性炭纤维的电性能，活性炭纤维同炭纤维一样具有优良的导电性能在蓄氢电池中, 作为二次电极在双层电容器中也得到了应用。 3.活性炭纤维的氧化还原性能.活性炭纤维的氧化还原功能是活性炭纤维的重要特性之一, 这一特性在其从溶液中吸附金属离子时表现最明显。活性炭纤维不仅可以作为还原剂, 也可成为氧化剂, 这取决于所用体系的电位高低.活性炭纤

5、维的催化特性.活性炭纤维具有气相氧化和催化还原的性能。利用活性炭纤维的氧化还原特性, 可用于微量贵金属的富集和分析, 贵金属的回收和冶炼, 治理高价有毒有害废水, 循环水处理,制备载体催化剂, 制造电容电池的电极, 制造纳米金属等。 4.活性炭纤维的催化特性 活性炭纤维具有气相氧化和催化还原的性能。通过用硫酸活化活性炭纤维,使其表面具有催化作用, 可以在氨气存在下把一氧化氮还原成从氮气。活性炭纤维的催化氧化和催化还原特性在汽车尾气的治理方面有很好的应用前景。因为活性炭纤维表面载附其它金属催化剂后, 可以获得非常有益的催化效果。活性炭纤维负载铜、钻、镍, 作为催化剂载体不仅有利于对金属的吸附和分散, 而且活性炭纤维本身具有活性载体的作用 5.活性炭纤维的其它性能 与传统的活性炭相比, 还有以下性能 体积密度小, 过滤阻力小, 约为粒状活性炭的三分之一强度高, 不易粉化, 吸附层不会因为碎屑沉积和沉积不均匀而造成阻力增加或流体分布不均也不会造成二次污染。纯度高, 杂质少, 可以用于食品加工和医疗卫生工业。形态多样性, 可以加工成毡布纸以及其它形态, 根据需要制成各种制品,以适应不同用户的要

6、求。归纳起来, 与传统的活性炭相比活性炭纤维的独特之处有 活性炭纤维的直径细,与被吸附物的接触面积大, 而且可以均匀接触吸附, 使得材料充分利用, 效率提高外表面积大、吸附速率快吸附容量大, 可吸附处理低浓度废气或具有高活性的有机物质。孔径分布窄, 主要以微孔亚微孔为主, 可以通过工艺调整孔径大小与被吸附物质的分子尺寸相匹配, 从而达到分离的目的。体积密度小、扩散阻力小、动力消耗少, 可以吸附粘度较大的液体物质。漏损少吸附层薄, 可制成轻小型设备, 强度高、不容易粉化, 可任意加工成所需要的形态, 操作简便安全、节能经济。 四活性炭纤维的应用 活性炭纤维具有吸附速度快、易脱附的特性, 可以加工成纸、毛毯、布和其他特殊性状制品, 很容易满足用户的要求。另外, 活性炭纤维还可用来与其他材料复合成为多功能的吸附材料, 广泛应用于食品、医药、化工、石油、矿冶、核工业、汽车和真空制造等行业 。 废水治理及水的净化 ACF 对工业废水中的多种有害物质都有良好的吸附作用, 如含酚工业废水、含汞废水及染料废水。另外, ACF 对水中的大肠杆菌及氯等都有很好的净化作用, 因此可用作饮用水的净化介质。 回

7、收溶剂ACF 对各种有机蒸气都有良好的吸附作用。由于ACF 比活性炭吸附容量大、吸附速度快, 因此采用ACF 制成的溶剂回收装置也具有质量轻、吸附和脱附速度快等优点 。 大气污染治理和空气净化ACF 不仅对有机蒸气有良好的吸附作用, 对造成大气污染的几种主要气体( 如SO2 , CO2 , NO2 , 烃类和醛类气体) 都能够较好地进行吸附, 因而ACF还可制成干法脱硫装置及汽车尾气过滤装置。此外,ACF 可吸附O3、含氟气体、烟味以及人体和仪器排放的多种异味, 可作为空气净化器的吸附材料 。 医学领域 ACF 的无毒性使其在医学领域得到了广泛的应用。由于ACF 具有化学稳定性、热稳定性及辐射稳定性, 因而使用各种消毒方法进行消毒时,其不会发生任何变化。ACF 对人体中外源性毒素的吸附十分有效, 在血液过滤、内服解毒及外伤包扎与治疗方面都有重要用途。医药卫生方面活性炭纤维在医疗器械、医用材料、医用净水、空气净化等方面有着广阔的应用前景。在长期保存的血液中, 血小板及白细胞等易集合成块, 同时血液中的组胺和血清素明显增加, 组胺过量会危害人健康, 血清素过量也会使人产生生理反应, 因而在

8、输血前必须去除血液细胞及蛋白质组成的微小血栓。为此, 医学上使用了血液净化装置, 净化装置内部填充粒状活性炭, 虽然也起到净化效果, 但粒状活性炭与血液作用的表面积小, 不能充分吸收组胺等有害物质, 且易发生 堵眼。近年来, 采用活性炭纤维制成的机织物或无纺布取得了良好的效果。另外, 用活性炭纤维可以替代活性炭制造人工脏器( 如人工肾脏、人工肝脏) 的辅助装置。活性炭纤维吸附能力强, 再生性能好, 可以用不同方法和条件控制活性炭纤维的结构和微孔孔径, 有选择性地去除身体中所不需要的有害物质, 保留身体中所需要的物质。此外, 活性炭纤维的可加工性强, 不会有微粉之类物质进入体内或血液中, 也不会溶解出对身体有害的成分, 是替代活性炭的理想材料, 并可使人工脏器小型化而便于携带。另外, 用活性炭纤维毡作为夹层的防毒、防化口罩已经面市。具体做法是用熔喷法在活性炭纤维的两面直接熔喷超细纤维, 超细纤维与活性炭纤维毡自行黏合、冷凝而形成均匀的网膜。用这种复合材料做口罩的罩芯, 具有纺丝、成布及黏合一次成型的特点, 其工艺流程短、成本低、活性炭纤维不易脱落。纤维结构中使用超细纤维具有高效的过滤性能

9、和高斥液性, 起到细菌屏蔽作用, 用这种方法制成的口罩具有防毒、防化、防尘、防菌的效果。此外, 通过在活性炭纤维上负载铂、钯等金属离子, 可改变活性炭纤维表面的物理化学性质, 有效达到脱除CO 等有害气体的目的; 在活性炭纤维上负载银离子, 能达到除菌、净化饮用水的目的。 回收重金属 ACF 能够对含金、银、铂等重金属的废水、废气进行分离回收。 有机合成催化剂或催化剂载体 ACF 能够对碳氢化合物、无机污染气体、NO和CO 进行催化转化, 也可以作为有机还原反应的催化剂。另外, 利用A CF 强吸附性能还可制成脱臭用品, 如面罩、鞋面、鞋垫、冷藏库脱臭剂、家用冰箱除臭剂等; 也可以利用ACF 的导电性来制得电池、极材料、电子器材燃料电池、电容电池、二次锂电池、电极材料; 利用A CF 强吸附特性可贮存甲烷、氢气;利用ACF 导热性能可进行太阳能聚热吸热。 五.展望 ACF 是一种用途广泛、极具前景的新材料, 正逐步从实验室走向工业应用。但有不少因素制约了它的发展, 为充分发挥其作用, 我们可以尝试加强以下的工作: 第一, 改进ACF 的炭化活化工艺和设备, 通过预处理或后处理改善ACF

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