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活性炭纤维的发展历程

2017-2-13

  人们很明确地认识到炭有吸附能力的最早日子可以追溯到1773 年C..W..Scheel发现“木炭对气体吸附”的现象。在随后的日子,人们开始了活性炭的大量研究和应用。随着生产和生活水平的提高,人们对活性炭等吸附材料的性能要求也越来越高,原来的粒状和粉状活性炭明显暴露出许多难以克服的弱点,例如,活性炭的大孔-过渡孔-微孔的结构使其吸附速度慢、效率低,它的物理形状使它在应用操作上较不方便、工程适应性差等。

  为了制备纤维状炭吸附材料,人们曾尝试在粒状或粉状活性炭的基础上开发了纤维状活性炭(fibrous activated.carbon) ,例如,通过在黏胶人造丝的纺丝液中加入粒度小于70μm的活性炭,然后进行纺丝。通过加热聚酯(芯)/聚乙烯(皮) 复合纤维而将粒状活性炭黏在纤维表皮,再热牵伸。或用黏合剂将粒状活性炭黏附在纤维上。然而,这样制备的纤维状活性炭由于部分炭粒表面被覆盖使吸附性能下降。人们还试图将活性炭填灌到空芯纤维中的方法制备纤维状活性炭,但工艺复杂,所制纤维较粗,容易破裂,不适应于纺织操作。

  20 世纪60 年代初,得益于高性能炭纤维的研究发展和活性炭的工作积累,人们直接采用纤维为原料进行碳化-活化,成功制备了活性炭纤维(Activated carbon Fiber) 。早期报道活性炭纤维研究的有W.F..Abbott (1962 年) ,他在研究黏胶基炭纤维的基础上成功开发了黏胶基活性炭纤维。此后,由有机纤维制备活性炭纤维的工作引起了人们的广泛兴趣,70年代以后,活性炭纤维的基础研究、生产和应用迅速发展起来,成为新型高性能吸附分离功能材料的重要一员。70年代中期,人们成功工业化生产了黏胶基、聚丙烯腈基、木质素基和酚醛基活性炭纤维,80 年代中,又成功开发并工业化生产了沥青基活性炭纤维。1992 年,日本东洋纺织公司(Toyobo Co. Ltd) 生产的黏胶基活性炭纤维、东邦人造丝公司(Tolro Royon co. Ltd) 生产的聚丙烯腊基活性炭纤维和大阪煤气公司(Osaka Gas) 生产的沥青基活性炭纤维已分别具备了年产150t、200t 和300t 的生产能力。70 年代末以来,我国许多科学工作者积极开展了活性炭纤维的制备、结构及其性能等的应用基础研究,相继报道了大量研究成果。

  活性炭纤维具有与传统活性炭等吸附材料所不同的化学结构( 物理织构和优异的性能特征,它碳含量高,比表面积大,微孔丰富,孔径小且分布窄,从而吸附量大,吸附速度快,再生容易。并且,它能以纱、线、布、毡等形式使用,在工程应用上更为灵活方便。因此,产化学化工、环境保护、资源能源、医疗卫生、电器、军工等领域显示出良好的应用前景,成功地被应用亍溶剂回收,废水废气净化,毒气、毒液、放射性物质及微生物的吸附处理,贵金属的回收,电极制造等方面。至今为止,每年都有大量研究论文和专利报道活性炭纤维的制备、结构、性能和应用的新成果,还有不少的综述文章系统总结了活性炭纤维的研究和应用成果。

活性炭纤维结构回目录

  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。

元素组成

  活性炭纤维主要由碳原子组成,碳元素含量约80%以上。还含有微量氢(约0.4%一1.9%),少量氧(2%~20%),部分活性炭纤维还含少量N、S等杂原子。

  活性炭纤维的元素组成主要取决于所用纤维原料的化学结构,如沥青基活性炭纤维通常含碳量较高。聚丙烯腈基或黏胶纤维接枝聚丙烯腈基活性炭纤维含有较多的N元素(可达5%~8%)。磺化聚丙烯腈基活性炭纤维含有S元素。选择适当制备工艺可一定程度上改变元素组成,如在NH3气氛中碳化或活化可增加纤维的含N 量。通过用金属氯化物或硝酸盐溶液浸渍等方法还可在纤维表面引进各种金属化合物。活化条件改变时,纤维的含氧量将会改变。

  活性炭纤维的元素组成 (特别是表面元素组成) 对性能有影响。人们认为含N 基团对含硫有机物(SO2,H2S,丁基硫醇) 等具有特殊吸附能力。