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活性碳纤维基本特点

发布时间:2018/07/12

  传统的活性炭是一种经过活化处理的多孔炭,为粉末状或颗粒状,而活性碳纤维则为纤维状,纤维上布满微孔,其对有机气体吸附能力比颗粒活性炭在空气中高几倍至几十倍,在水溶液中高5~6倍,吸附速率快100~1000倍!没有确切数值,这与活性碳纤维的种类、制作工艺等有关。它是继活性炭之后新一代的吸附材料,它的使用只是近20多年的事,世界上只有少数国家能够生产。它的制品可以是丝、纸、毡、布等形式,活性碳纤维的市场价格在40万/吨左右,是活性炭的十几倍到几十倍(煤质活性炭价格在1万/吨左右,椰壳活性炭价格在2万/吨左右)。但因其重量极轻,其制品成本只是略有增高而已。在工业上利用它的强吸附能力去回收有机溶剂,净化空气,净化用水。
  ACF(碳纤维)是继广泛使用的粉末活性炭、颗粒活性炭之后的第三代新型吸附材料,它是由纤维为原料制成,具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点;被广泛运用于水净化、空气净化、航空、军事、核工业、食品等行业;
  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。
  结构说明:
  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。在活性炭纤维中无大孔,只有少量的过渡孔,微孔分布在纤维表面,其吸附速率快,活性炭纤维丝束的空间起大孔作用,对气相与液相物质具有较好的吸附作用,其外比表面积大,吸脱速度快,为粒径活性炭10~100倍。随着比表面积增大,细孔的平均孔径随之增大,细孔容积增加,在细孔内发生吸附后充填细孔内。其比表面积增大吸附容量大,为粒状活性炭的10倍,可吸附处理低浓度废气或具有高活性的物质。活性炭纤维的体积密度小,滤阻小、可吸附粘度较大的液态物质,且动力损耗小。
  表面化学结构:
  活性碳纤维固体表面原子呈不饱和结构,具有独特的表面化学性能,微晶在燃烧温度低时易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、卤素等官能团。其表面酸性与吸附平衡有密切的关系。按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的分类标准,吸附剂的细孔分为三类:孔径大于50nm的为大孔,2nm~50nm的为中孔,0.8nm~2nm的为微孔以及小于0.8nm的为亚微孔。活性炭纤维的孔主要是乱层结构炭和石墨微晶形成的微孔。微孔的大量存在使活性炭纤维的表面积增大,同时也使其吸附量提高。吸附剂中的大孔是作为被吸附分子到达吸附位的通道,它控制着吸附速度;活性炭纤维其纤维直径一般在10nm~13nm、外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与吸附质接触、扩散阻力小,所以其吸脱附速度快,有利于吸附分离。而且,可以根据需要制成毡、布、纸等各种形态,适应于多种用途。活性炭纤维是由CF活化而成。CF为多晶乱层石墨结构,转化成活性炭纤维后,结构基元不变化。活性炭纤维是非均匀性的多相结构。由于高温水蒸气将部分原子脱去后形成微孔结构使之生成羧基、羰基等含氧活性基团,使其表面的酸性增加。比表面积约为1200m2/g,远大于CF,在苛刻条件下活化时可达3000m2/g。活性炭纤维为分布狭窄单一孔径的微孔结构,其孔可以产生毛细管的凝聚作用。由于具有微孔,其吸附、脱附速率远大于两个数量级,吸附量大。在填充床中流体的床层阻力小,可作为催化剂与催化剂载体使用在活性炭纤维分子内的痕量杂原子为磷、氮、氯等。在活化时,部分杂原子被脱去后,表面的杂质大大减少。由于活化中氧化气体的作用,表面含氧基团增强,主要有酸性基团,如羧基等。中性基完备如羰基、内酯基等。碱性基团有过氧化基等。活性炭纤维会因活化的方法不同,而生成不同表面含氧基与表面酸碱性不同的产物。在水的作用下,其氧化还原能力更强。由于水的存在可以使一些基团氧化成羟基。由此在表面含氧基团数目增加后,表面氧化还原容量增大。
  活性炭纤维毡用于有机溶剂的回收,对于从气相分离回收有机溶剂,如对苯类、酮类、酯类、石油类的废气均能从气相吸附回收。用活性炭纤维作溶剂回收材料吸附脱附速度快、处理量大,回收溶剂质量高,回收率可达90%以上。
  随着人类环保意识的不断加强,对于生存的环境,特别是对空气、水等净化密切相关的活性炭等环保材料的性能要求越来越高,粒状或粉状活性炭已能很好满足使用要求。传统的活性炭是一种粒状或粉状的炭材,自20世纪初实现工业化生产以来,在分离及净化水及其它液体的除臭、净化等方面广泛应用。粒状或粉状的结构,它的吸附速度较慢,分离效率不高,特别是它的物理形态在应用时有许多不便,限制了应用范围。活性炭纤维孔径小且分布窄,吸附速度快,吸附量大,容易再生。与粉状(5nm~30nm)活性炭相比,活性炭纤维在使用过程中产生的微粉尘少,可制成纱、线、织物、毡等多种形态的制品,使用时更加灵活方便。活性炭纤维被认为是21世纪环保材料之一,在气体和液体净化、有害气体及液体吸附处理、溶剂回收、功能电极材料等方面已成功应用。
  饮用水的净化:随着工业的发展与都市人口的密集,水的污染越来越严重,都市区内的生活废水处理量已越来越大。在废水中特别是工业废水中的有机污染物有大量增加的趋势,并且化工、冶金、炼焦、轻工等产业中的废水为最主要的污染源,其含有的有毒物和有害物已在对生态环境构成威胁。随着城市化的加速,有机物的污染,都市生活污水量的不断增加,使工业废水中排放的有机物不仅数量增加而且有毒的物质,对环境造成极大危害,因此确保饮用水的供应是一件至关重要的事情。用活性炭纤维处理地下水可以获得很好的效果。自来水中的残氯也可用活性炭纤维吸附。地下水中的三氯乙烯(TCE)不仅使饮用水变味,而且在人体某一器官内积累后将诱发致癌,因此TCE的污染是一个非常严重的问题。活性炭纤维对水中TCE的吸附量为粒状活性炭的4倍。对大肠杆菌的吸附,所吸附的细菌数量随比表面积的增大而增大。细菌吸附量还与活性炭纤维表面银颗粒的大小有关。对水中的生物吸附,活性炭纤维也非常有效。近年来,城市人口的增加已使饮用水的供应不足,国内用活性炭处理三卤甲烷废水,其有效去除率仅为40%。对地下水的检测表明,在水中已含有多种氯化物,这些氯化物具有致癌作用,自来水中的含氯物质可用活性炭纤维加以去除。用活性炭纤维去除水中的三氯乙烯时,活性炭纤维的吸附量为粒状活性炭的4倍,在实际处理中可比活性炭大1个数量级。
  能够吸附的有机物有:烃类(苯、甲苯、二甲苯、正己烷、环己烷 等) ,卤代烃(氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、三氯乙烯、三氯乙烷、溴甲烷、 四氯化等),醛酮类(丙酮、环己酮、甲醛、乙醛、糠醛等),酯类(醋酸乙酯、醋酸丁酯等),醚类(甲醚、乙醚、甲乙醚等) ,醇类(甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等),聚合用单体(氯乙烯等)
  用于空气净化,可有效去除空气中各种有害恶臭物质,尤其是致癌物质、芳香族类的化合物(如苯类,醛类)可使空气洁净清新。
  用于污水处理,适用于处理含酚、医药、硫醇等难以分解的有机废水。
  用于食品、饮料、医药的净水处理;制糖酿酒行业生产中的脱色除臭、饮用水的净化、杀菌,自来水中去除余氯等用途。
  电子及能源方面的应用、可生产高容量电容、畜电池电极、导电发热材料等。
  在军事防护方面可用于战地施救做手套、敷料、绑带和防化屏,以及防化部队的化学防护服,还可用于军用床品及军用医用床品。
  目前活性炭纤维已广泛用于净水器,特别是载银活性炭纤维具有吸附和灭菌的双重功能。用载银活性炭纤维对大肠杆菌进行吸附,在银含量增加,比表面增大时,其吸附量增大,对水中其它微生物的吸附同样有效。其中知名度较大的有派斯涅普顿系列净水器;
  含碳纤维高温活化后,纤维表面布满微孔(即氢、氧原子挥发前所占位置),其孔径为一根头发丝的十万分之一,把这些微孔的内表面展开,1g活性碳纤维毡的展开面积高达1600㎡,这是这些微孔起到了吸附气味的作用。从物理学可知,物体的表面对外存在引力,表面越大吸附力越大,活性碳纤维正是通过这种范德华力的作用吸附周边分子并牢固与微孔之中。
  活性炭纤维毡久用之后,微孔会被填满,致使吸附能力有所下降。使用某种办法可使吸附质的动能增加,摆脱引力,自活性碳纤维中逸出(不能完全解吸)。此时活性炭纤维的吸附功能即可复原,重复使用。活性炭纤维脱附再生的方法很多,如热蒸汽解吸法、氮气解吸法等,有机废气治理中常用热蒸汽解吸法。工业上的解吸需要专门装置,而一般民品只需晾晒或电热吹风即可。

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