活性炭纤维制备技术探究

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1、活性炭纤维制备技术探究(杭州科鉴建设工程检测有限公司浙江杭州310030)摘要：活性炭纤维具有十分优异的吸附、催化性能，在我国得到了广泛的研究，并广泛应用于环保、化工等各个领域，本文从活性碳纤维的表面结构、孔结构、吸附性能、制备过程中预氧化、碳化和活化工艺及其在环保领域的应用方面进行了探索。关键字：活性碳纤维；吸附；生产工艺活性炭纤维(ActivatedCarbonFiber-ACF),亦称纤维状活性炭，作为一种理想的高效吸附材料，是在碳纤维技术和活性炭技术相结合的基础上发展起来的，是继粉状和粒状活性炭之后的第三代活性炭产品，ACF是一种高效的吸附分离材料，并以其特殊的表面化学结构和物理吸附

2、特性、催化特性等，被广泛应用于环保、化学化工、食品、医疗卫生、国防军工、航空航天、原子能、电子、交通运输、纺织和日常生活等领域。1活性炭纤维的结构、性能ACF的直径一般为10-30um,亦被称为纤维状活性炭。ACF主要由C、H、0三种元素组成，其中C的含量均在85%以上，另外PAN基ACF、沥青基ACF含有氮元素。活性炭纤维的表面约有60%的C以类石墨碳形式存在，超过50%的碳原子都位于内外表面，由于表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合碳以外的原子及原子基团，从而构成了独特的表面化学结构。微晶碳在比燃烧温度低的条件下与氧反应生成表面氧化物，主要有竣基、酚轻基、醍基等含氧官能团,此外还有

3、含S、N、卤素等官能团。对表面特性研究表明，表面酸性与吸附平衡有着密切的关系。表面酸性增加，对酸性及中性有机物的吸附能力降低，对碱性有机物吸附能力增强，而对水蒸汽的吸附则相反［9］。ACF属于紊乱碳层堆叠的类石墨微晶结构，其基本结构单元是石墨带状层面，石墨层面中口电子具有一定的催化活性，边缘及表面缺陷处的碳原子所具有的不成对电子也可在催化中发挥作用，由于ACF表面具有各种酸碱性质不同的含氧基团，它们与金属活性组分的相互作用能力不同，从而对许多反应具有催化作用。国际理论与应用化学联合会（IUPAC）将吸附剂的细孔分为三类：孔径小于2nm为微孔，2nm-50nm为中孔，大于50nni为大孔。大孔

4、主要是起输送被吸附分子的作用；中孔既起传输作用，对大分子也有吸附作用；只有微孔才显示出较强的吸附作用。ACF的孔结构特点是微孔占总体积的90%以上，，孔隙直接开口于纤维表面，是一种典型的微孔炭，是超微粒子、表面不规则的构造以及极狭小空间的组合，具有较大的比表面积，一般均可达1000一1500m2/g,甚至2000m2/g以上，并且ACF的孔径分布比较窄，且都在有效吸附孔尺寸附近，按照Dubinin的微孔填充理论(TheoryofVolumeFillingofMicropore-TVFM),微孔容积是非常重要的参数，微孔容积越大，吸附性能越好，所以ACF的吸附容量大，吸附容量是粒状活性炭的5-

5、10倍［9］。由于ACF微孔占大多数，吸附时呈分子筛作用，具有吸附选择性。扩散、吸附、脱附速度快，当微孔与分子尺寸大小相当时，由于在VanderWaals弥散力的作用下，使相距很近的相对孔壁的吸附场的吸附力场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加。因此在很低的相对压(低浓度)和较短的时间内就基本完成吸附，亦即低浓度下吸附量高。ACF的吸附主要是物理吸附，且对于微孔中的吸附，一般都以微孔容积填充理论(TVFM)来描述。2活性炭纤维的生产工艺ACF经AC活化制得，而纤维状炭主要通过四种方法获得:(1)桂或CO高温热解，在石墨或陶瓷板上形成结晶质的胡须状炭；(2)高温高压下石墨电极间通电，产生石墨晶须;

6、(3)高级炭黑在非氧化气氛中，高温处理形成石墨化单晶;(4)在保持高分子纤维形状的前提下，将其炭化。绝大多数ACF都是由这种方法获得的AC活化而成。作为ACF前驱体的高分子纤维主要有粘胶基、聚丙烯睛(PAN)基、酚醛基、沥青基、聚乙烯醇(PVA)基、苯乙烯-烯痊共聚基和木质素纤维等，不同原料生产的ACF的主要优缺点如表1。表1不同原料生产ACF的主要优缺点及性能比较[9,17]种类纤维直径（um）比表面积（m2/g）平均孔径（nm）抗张强度（kg/mm2）优缺点粘胶基15-181000-15001.0-1.67-10原料低廉，但收率低，强度低，生产工艺较复杂PAN基6-11700-12002

7、.0-3.020-50结构中含氮，对硫氮系化合物有催化作用，具有高吸附性能，工艺简单、成熟酚醛基9-11100-23001.5-3.030-40原料价廉，收率较高，工艺简单，不需要进行预处理沥青基10-141000-20001.5-4.510-18原料价廉，收率高，杂质多，不易制得连续长丝，深加工难，强度低目前，目前活性炭纤维的生产主要是聚丙烯睛基和沥青基、黏胶基，其他炭纤维很少，下面以3种工艺为主进行介绍。