活性炭纤维(完整)方

活性炭纤(ACF)第一小组编制主要内容：一.简介活性炭纤维（ACF）二.ACF的结构，组成，性能三.ACF的合成方法和原理四.ACF的加工工艺五.ACF的应用情况六.ACF深入研究方向七.ACF的回收利用，再生途径及发展趋势一.活性炭纤维概述活性炭纤维(ACF)是20世纪60~70年代发展起来的一种新型高效吸附剂,它以木质素、纤维素、酚醛纤维、聚丙烯纤维、沥青纤维等为原料,经炭化和活化制得。在环保领域应用的碳材料先后出现过活性炭粉末(PAC)、颗粒活性炭(GAC)以及将活性炭粒子热熔或粘附在玻璃纤维或有机纤维上的纤维活性炭(FAC)。与传统的GAC、PAC、FAC不同,活性炭纤维(ACF)是由有机纤维经炭化、活化而得到。二、活性炭纤维的结构及组成活性碳纤维的纤维直径为5~20μm，比表面积平均在1000~1500m2/g左右，平均孔径在1.0~4.0nm，微孔均匀分布于纤维表面。与活性炭相比，活性碳纤维微孔孔径小而均匀，结构简单，对于吸附小分子物质吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。与被吸附物的接触面积大，且可以均匀接触与吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态，孔隙直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。对于有些大分子或颗粒物质，如二恶英、粉尘等，体积已经接近乃至大于活性碳纤维微孔体积，难以被吸附，相比较活性炭更占有优势。1.活性炭纤维与颗粒状活性炭的区别：活性炭：活性炭含有大孔，中孔和微孔，其吸附主要为物理吸附，吸附过程一般分为3个阶段：外部扩散、内部扩散、吸附反应。主要影响吸附速率的是前两个阶段。活性炭纤维：大量的微孔直接开于表面。没有内部扩散阶段。吸附过程只有两步：外部扩散、吸附反应。没有内部扩散阶段。此外，活性炭纤维的主要成分是C，但也存在微量的杂质原子，包括O、H，此外还有N、S等。它们与C结合形成相应的官能团，其中以含氧基团在活性炭纤维表面含量较为丰富。这些特征赋予炭纤维具有优良的吸附性能：2.传统活性炭与活性炭纤维结构对比3.活性炭纤维的特点比表面积大，以微孔为主、孔径分布均匀；加工成型性好，可制成无纺布、布、纸、毡等；具有较高强度，不易粉化，不造成二次污染；吸附能力强，吸附容量大；吸附、脱附速度快；对低浓度物质具有良好吸附能力，避免漏吸；具有较强的氧化还原能力，可用于贵金属回收；含氮ACF对含硫有机物具有特殊吸附能力。二、ACF的结构及性能微孔形结构：微孔半径在2nm以下，其孔径分布窄，特殊的细孔呈单分散分布，由不同尺寸的微细孔隙组成其结构，并且中孔、小孔扩散呈现出多分散型分布，在各细孔结构中的差别较大，其主要原因在于原料的不同。表面化学结构:炭的固体表面原子呈不饱和结构，其具有独特的表面化学性能，其微晶在比燃烧温度低时易于与氧化介质发生反应生成氧化产物，主要有羧基、酚基、醌基等含氧基团及含硫基、氮元素、卤素等管能团，其表面酸性与吸附平衡有密切的关系。二、ACF的结构及性能主要性能:1)活性炭纤维（简称./0）是一种表面超微粒子，具有不规则的结构和纳米空间混合的体系2)主要发育了大量的微孔，都直接开于表面。因此，活性炭纤维具有很大的比表面积（多数在1000～1500㎡／g）。此外，活性炭纤维的主要成分是C，但也存在微量的杂质原子，包括O、H，此外还有N、S等。它们与C结合形成相应的官能团，其中以含氧基团在活性炭纤维表面含量较为丰富。1.活性炭纤维优良的吸附性能：吸附容量大，达到吸附平衡的速率快，对有机蒸气的吸附量比粒状活性炭大几倍甚至几十倍；吸附脱附速度快，再生容易，不易粉化；吸附力强、吸附完全，特别适用于吸附去除ppm、ppb级乃至更低浓度的水中有机物；具有氧化还原能力，可将贵金属离子及H92+等离子还原为低价离子或金属单质。ACF碳纤维和其他活性炭材料吸附能力对比粉末活性炭（Pac）活性炭棒（CTO）颗粒活性炭（GAC）碳纤维（ACF）三.活性炭的合成方法及原理1.合成方法：目前用作活性炭纤维前驱体的有机纤维主要有粘胶基、聚丙烯睛基、沥青基、酚醛基四种，除此之外，还有采用其他原料制成的，如聚偏二氯乙烯、聚酞亚胺纤维、PBO纤维、聚苯乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚氯乙烯基、PVA基等，不同的原料纤维有不同的炭化和活化特性，制成的活性炭纤维的特点有所不同2.原理：活性炭纤维是经过活化的含碳纤维，将某种含碳纤维，经过高温活化（不同的活化方法活化温度不一样），使其表面产生纳米级的孔径，增加比表面积，从而改变其物化特性。四.活性炭的加工工艺目前活性炭纤维的生产主要是聚丙烯腈基和沥青基、黏胶基，其他炭纤维很少。活性炭纤维生产加工工艺如下1)浸渍(预处理)；2)氧化工艺；3)碳化工艺；4)活化工艺，活化时尽可能多地造孔，形成多孔结构活性炭纤维加工工艺流程图五.活性炭纤维应用情况1）废水治理及水净化2）回收溶剂3）大气治理和空气净化4）应用于医学领域5）有机合成催化剂或催化剂载体1、饮用水的净化ACF的微孔孔径具有可调节性，可以针对不同的有机微污染物，选择性的设计出具有不同吸附性能的ACF，从而能够去除水源中的各种污染物质。ACF对水质混浊有明显的澄清作用，可以除去水中的异臭、异味；对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达90％以上，对细菌有极好的过滤效果，如大肠杆菌去除率达98％。ACF在净水器中的应用日本酸素氧气公司和三菱人造丝公司开发的多功能超小型净水器，具有过滤除臭、灭菌和变硬水为软水的功能，还可把江水、河流湖泊水直接变为饮用水。东邦人造丝公司用聚丙烯腈基ACF生产家用净水器，还和可乐丽公司共同开发了用于水厂和糖厂的净水装置，可脱色、脱臭和除去有机物沈阳和天津也已逐步使用ACF制作的小型家用净水器。2、工业用水处理活性炭纤维与有机功能纤维配合，可用于循环冷却用水及锅炉用水的防垢、防腐处理。功能纤维对循环水中的钙镁离子起到吸附、增溶的作用。循环水中该两种离子的浓度基本稳定在60mg／L的水平上，这一方面是活性炭纤维表面含丰富的酸性官能团，与钙镁离子发生离子交换的结果；另一方面，活性炭纤维在吸附或与溶解氧作用时，生成了CO2，调节了体系的酸度，增大了钙镁离子的溶解性。功能纤维可以吸附水中的有机物及微生物，降低水中溶解氧浓度，抑制水中好氧生物的滋生繁殖。用活性炭纤维处理空调循环水四个月，其微生物指标远低于控制标准，且效果好，成本低，免除了定期换药、投药的麻烦，也减少了环境污染。还可以调节体系的电势差，故可有效地防止水的结垢及对体系金属的腐蚀。3、废水处理ACF较活性炭有丰富的微孔、巨大的比表面积及多种官能团，因此有更为明显的吸附特性，对水溶液中的无机污染物及各种复杂的有机污染物等具有较强的吸附能力，并且能有效去除工业废水的颜色、气味、油分、氯化物及苯酚等，也可以除去生物难以降解的物质。ACF处理废水主要包括：水中无机离子、有机分子或离子、染料以及农药。①ACF对水中无机离子的去除硫氰酸根和乙基磺酸根在活性炭纤维布电极上的电吸附这两种毒性离子都可以通过活性炭纤维布电极的电吸附从废水中几乎完全去除。当两者共存时。硫氰酸根几乎不被吸附，显示出了相当强的选择吸附特性。因此，能将这两种离子有效的分离。利用电增强活性炭纤维处理含有这两种离子的废水可以实现吸附剂电吸附／脱附的循环使用。ACF在重金属离子的去除方面的应用研究表明，ACF对CODCr有较好的去除效果。动态吸附试验表明，ACF吸附Pb2+的穿透点为180mL，吸附终点为320mL，具有较好的工程应用可行性。实验过程中，ACF有良好的再生性能。吸附饱和后的ACF再生3次后，仍保持良好的吸附性能，可重复使用。②ACF去除水中有机分子或离子ACF独特的微孔结构、巨大的比表面积及多种官能团，使其在有机废水处理中的吸附特性明显优于活性炭。ACF适用于各种有机废水的处理，对于化工、冶金、炼焦及轻工业产业产生的废水及生活污水的处理有其独特的效果，可除去由生产废水流入而产生的异臭、异味，除去油、农药、余氯腐殖质等。研究表明，ACF对酚类废水有较好的去除效果。ACF对酚类废水的去除研究韩严和等研究了在电极化的条件下，对硝基苯酚在活性炭纤维上的电吸附动力学特性，在400mV的极化电位下，对硝基苯酚的吸附量从开路时的2．93mmol·g。1降N2．65mmol·g-。，其电吸附动力学比较好的符合Lagergren--级吸附动力学。郑春燕等用活性炭纤维作为阳极材料，采用电化学氧化法处理含酚废水，结果表明，该方法可以强化对苯酚的氧化分解，苯酚和ODD的去除率均能达到95％以上，其最佳的操作条件为：pH值为3、进水苯酚浓度为500rag／L，电流密度为26mA／c㎡、Na2S04浓度为15g／L。同时，通过对比不同电极材料的降解效果，证明使用具有高比表面积的活性炭纤维作为电极材料，能充分将其导电、吸附、催化及稳定性能有效的结合起来，实现高效净化。③ACF在处理染料废水方面也的性能。ACF可以除去水中的亚甲基蓝、结晶紫、臭酚蓝等有机染料分子，其吸附量大，去除率高。对于不同的染料分子，ACF吸附速率差别很大。ACF在处理染料废水方面的研究陈水挟等对ACF吸附染料做了大量的研究工作表明，ACF对亚甲基蓝的静态吸附量达400mg／g，结晶紫250mg／g，二甲酚橙100mg／g和对苯二胺250mg／g。另有研究表明，用ACF电极电解降解染料，脱色效果明显，TOC去除率高。Fenyunyi用ACF电极电解降解茜素红S(ARS)染料，ARS可有效脱色，在最优实验条件下，脱色率达95％，C0D的去除率超过了80％，且ACF电极即时再生的同时对ARS的吸附和氧化也可持续进行。王爱民等实验研究表明，ACF作为阳极的电芬顿体系对于水中偶氮染料酸性红B(ARB)的降解程度要显著高于ACF作为阳极的阳极氧化体系，其TOC去除率达到70％，高于阳极体系的30％TOC去除率。④ACF在去除水中的农药方面的研究。YapingGuo等将ACF作为电极来处理农药DDT，1个小时后达到了吸附平衡，且吸附之后DDT的残留浓度要低于非电极的活性炭纤维。黄星发研究了ACF电极对敌草隆的去除作用，结果表明，在0.01~0.05A内，敌革隆的去除随着电流强度的增加而增加，其去除率为58％～91％；敌草隆浓度在5～40mg／L时，其去除率随着浓度的增加而减小，但至1.5时。去除率均可达95％以上；对于20mg／L的敌草隆，活性炭纤维电极电化学氧化对其去除率达95％，并且重复使用其效果未见下降。六、ACF深入研究方向1.生产技术近年来ACF的生产工艺已基本成熟，但ACF价格高，严重阻碍了其推广应用。因此，进一步改进生产工艺，提高生产效率和降低生产成本仍是该领域的重要课题。2.再生技术ACF生产成本高是导致其价格高的主要原因。但通过改进生产工艺来降低成本似乎已近极限。因此，改进再生技术，使ACF的再生工艺简单、延长其使用寿命，就可弥补价格高的缺点。尤其是光催化和生物再生技术，可连续使用。具有广阔的发展前景。3.改性目前活性炭纤维的表面改性研究越来越受到了人们的重视，如利用合适的氧化剂在适当的温度下对活性炭纤维表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面含氧官能团的含量，增强表面的极性；通过复合等技术，活性炭纤维的功能更加丰富。通过把活性炭纤维与生物活性物质复合，可使吸附与生物降解相耦合。国内外具体研究方面：1.YINYan-e采用生物ACF处理水中的NH3-N、NO2-N和UV54，在处理容量和处理效果上均显著优于生物活性炭与ACF，显示了此项技术在水的深度处理领域里的应用潜力。2.国内一些学者对ACF进行改性，以期提高其吸附性能。3.如经酸改性后ACF对苯．氨类有机物吸附性能有所提高。4.ACF经远程氮等离子体改性后，增强了对碱性染料结晶紫的吸附能力。5.ACF用酸、双氧水和臭氧分别处理后，能有效提高对Cr(Ⅵ)的吸附量，比未改性的ACF提高了3