活性炭纖維的性能特征與應用

 

李旭明   張茂林   李龍

(西安工程科技學院   710048 )

編輯：弗艾博纖維技術研究中心

 

 

[摘要]:本方主要介紹了活性炭纖維的結構特征和吸附性能，綜述了在空氣淨化、廢水處理、淨化飲用水、醫學等方面的應用.

[關鍵詞]:活性炭纖維(ACF)  吸附  微孔  應用

 

前言

活性炭纖維( Activated CarbonFiber )是繼粉狀活性炭和粒狀活性炭之後的第三代现有產品。活性炭纖維(ACF)的前驅體是炭纖維，有瀝青系纖維、特殊酚醛樹脂纖維、丙稀基纖維(PAN)、人造絲纖維。這類纖維制得的活性炭纖維具有以下特征:①比表面積大②吸附、脫附速度非常快③可加工成各種形狀④重量輕使用方便⑤可與其他性能的材料形成複合材料⑥容易再生、再利用⑦生成的炭粉塵少。與粒.狀活性炭、粉狀活性炭相比，雖然活性炭纖維價格較高，但因其有上述特征，故仍能被廣泛應用于環保工業、電子工業、化學工業與輻射防護、醫用生理衛生等，具有廣闊的發展前景。

 

1活性炭纖維 的性能特征

1.1結構特征

ACF是多孔性的吸附材料，含有豐富的微孔，微孔的體積占總孔體積的90%以上，微孔直徑小(約2nm左右);其孔徑分布窄，特殊的細孔呈單分散分布，由不同尺寸的微細孔隙組成其結構。在ACF中無大孔，只有少量的過濾孔，在ACF絲束間的空間起大孔作用，對氣相和液相的物質具有較好的吸附作用。其比表面積大(約1000m²/g 3000m²/g),微孔直接開口于纖維表面，因而吸附容量大、吸附效率高、吸附、脫附速度快，爲粒狀活性炭的10- 100倍。隨着比表面積增大,細孔的平均直徑隨之增大,細孔容量增加,在細孔內發生吸附後充填細孔內。其比表面積增大吸附容量也增大，爲粒狀活性炭的1.5-10 倍，可吸附處理低濃度廢氣或具有高活性的物質。

1.2表面化學結構

ACF表面原子呈不飽合結構，具有獨特的表面化學性能，微品在燃燒溫度低時易與氧化介質反應成氧化物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基團及含硫基、氮元素、鹵素等官能團。其表面酸性與吸附平衡有密切的關系。

 

2、活性炭纖維的應用

2.1加工形態

活性炭纖維具有吸附速度快的特征,並且它是纖維狀的，可以隨意加工。也就是說，纖維狀的活性炭纖維可以加工成各種形態的活性炭，如原絲有棉、絲束、短切纖維等形態，它們可以加工成紙、毛毡、特殊成形品。因此，很容易滿足用戶的要求。另外，活性炭纖維還可用來其它材料複合成多功能吸附材料。

2.2活性炭纖維的利用

ACF的應用相當廣泛，可用于有害氣體有毒氣體的去除和淨化電子電器材料、水的淨化、有機溶劑的回收裝置、醫學等。

2.2.1空氣淨化

空氣中主要汙染源是二氧化硫和氮的氧化物及硫化氫和有機揮發物組分等。

含氮瀝青ACF在100⁰C的高溫下進行熱處理後，二氧化硫的穩定態含量只有10%，硫酸從ACF表面的脫除也十分容易;用PAN基ACF可有效地捕捉空氣中的硫化氫，在吸附表面上以三氧化硫或硫酸的形式吸附。此外，ACF還能吸附汽車尾氣排放的C0₂、 NO₂、 烴、醛類氣體，因而ACF可制成千法脫硫裝置及汽車尾氣過濾裝置。

ACF還具有吸附0₃、含氟氣體、煙味、人體和儀器排放的多種異味的能力，可用于辦公設備的臭氧脫除，並且可制成在航天飛機、潛水艇、坦克等密閉環境及室內使用的空氣淨化器。

此外，利用ACF對低濃度吸附質具有良好吸附作用的特點，還可制成小巧方便的環保監測儀，監測環境中有害物質的排放。

2.2.2廢水的處理及淨化

ACF用于水的淨化處理具有吸附容量大、吸附速度快、脫附速度快、灰分少、處理量大、且使用時間長的優點。對廢水的處理具有特殊的功能，在汙水處理中,采用ACF吸附往往用于二級處理或三級處理。將ACF用于環保工程中其操作安全，由于體積密度小和吸脫層薄，不會造成蓄熱和過熱現象，也不易發生事故，且節能和經濟，可用于大型.上水淨水處理，不僅淨化效率高，而且處理量大，裝置緊湊占地面積小，設備投資小和效益高。

ACF適用于各種有機廢水的處理。它可對含氯廢水、制藥廠廢水、有機染料廢水、苯酚廢水、四苯廢水、己內酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進行處理。其吸附能力比粉狀活性炭的吸附能力高得多，尤其適用于高平衡濃度時，每克ACF的吸附量約爲粉狀活性炭的3倍。當溫度升高後，其吸附能力提高。

用劍麻基ACF可有效去除水中的各種有機染料，如亞甲基蘭、結晶紫、烙蘭黑R等，去除率高達100%; 瀝青基ACF可有效地吸附酸性染料，如酸性藍74、酸性橙10等，也用于直接染料如直接藍19、直接黃50及堿性染料的堿性棕1、堿性青紫3等。

對煉油廢水和處理結果表明，采用ACF三級吸附的COD達10000mg/L 的廢水，淨化效率達86%以上.脫附用150⁰C -350⁰C的空氣及蒸汽混合脫附、ACF性能不變,靜態吸附量大于0. 5g/ gACF:對高濃度和成分複雜的頁岩油幹餾廢水的處理後COD可達低于2000mg/L:對十三嗎啉農藥廢水的處理，采用二級ACF吸附，出水COD< 150mg/L，去除率達94%，飽和後采用5%濃度的酸性無機脫附劑處理，吸附性能可完全恢複:對含PCB₃廢水的處理，經單級ACF吸附過的含PCB₃10-27ug/L的廢水，出水達到國家排放標准，單柱穩定運行周期70-80天，吸附容量7g/kgACF.

ACF對金屬離子具有較好的吸附性能,可吸附水中的銀、铂、汞、鐵等多種離子並能夠將其還原。大多數情況下，其還原反應可以大大促進對這些金屬離子的吸附。

2. 2. 3淨化飲用水

隨着水質汙染的日益嚴重，淨化水質就顯得尤爲重要。對地下水的檢測表明，在水中已含有多種氯化物，這些氯化物存在于水中具有致癌作用，在自來水中的含氯物質可用ACF加以去除。用ACF去除水，中的三氯乙烯,在其濃度爲1-5kg/m³ , ACF的吸附量爲粒狀活性炭的4倍，在實際處理中可比活性炭大1個數量級。此外，粘膠基活性炭纖維毡片或腈綸基活性炭纖維織物的緯紗都是經活化處理的具有高效吸附性能的微多孔質的活性炭纖維，可濾出水中各種雜質及微生物。

目前ACF已廣泛應用于淨水器，物別是載銀ACF具有吸附和滅菌的雙重功能，用載銀ACF對大腸杆菌進行吸附，在含銀量增加、比表面積增大時，其吸附量增大，對水中的其它微生物的吸附同樣有效。

2.2. 4溶劑回收

采用ACF吸附回收溶劑不僅減輕了環境汙染，而且回收溶劑質量較高。在回收濃度爲2000ppm的含酮混合溶劑中，回收率達98%;在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯化碳、四氯乙烯及二氯甲烷的應用中，回收率均高于97%， 效果相當理.想;在回收醋酸丁酯中，平衡吸附量近600mg/.gACF。

2. 2. 5電子工業中的應用

在微電子科學領域制造芯體過程中,對電镀有特殊的要求，使用活性炭纖維能改善電镀質量;利用ACF的比表面積大、細孔孔徑適中和導電性能，可用于制造電池现有產品的部件:還可開發用于大電流放電的雙層電子電容器:在電子和能源方面可用于制造高性能的電容、電池的電極等。ACF可用于制造化學輻射器材，並能除去放射性物質，還可用于核電站的防護材料。此外，在除臭、除濕、電極材料駐電容器等方面也在不斷拓展新的用途。

納米技術的開發,可將ACF用于納米複合材料，使其向高功能化、表面官能團特殊化的方向發展，作爲更新換代现有產品，對環境保護具有極其重要的作用和意義。

2.2.6醫學應用

粘膠基活性炭纖維的無毒性使其在醫學領域得到了廣泛的應用。由于ACF具有化學穩定性、熱穩定性及輻射穩定性，因而使用各種消毒方法進行消毒時，不會發生任何變化。ACF對人體中外源性毒素及內源性毒素的吸附都十分有效，在血液過濾、內服解毒及外傷包紮與治療方面都有重要用途。

(1)血液過濾ACF對進入人體血液的外源性毒素如苯、丙醇、1，2一二氯乙烷、四氯化碳等都有良好的吸附作用。同時ACF對人體內源性毒素的吸附也很有效。因此，用ACF可制成血液過濾器，由于ACF吸附量大，一只血液過濾器的裝填量僅需15- 17g,爲活性炭裝填量的1/20. 由于ACF吸附效率高，通常只需一次就可將血液中的毒素全部清除，而用活性炭往往需要過濾2-3次。

(2)內服解毒劑

ACF對胃液中毒素的吸附效果大大優于活性炭。預先服用ACF,對多種物質的中毒現象都有明顯的緩解作用。臨床實驗表明，預先服用ACF使服毒半致死量提高，並且搶救時的人工呼吸時間也明顯變短。

(3)外傷包紮及治療 ACF在外傷包紮與.治療中的應用更有獨特之處，對于形狀複雜、髒物及排泄較多的傷口，使用ACF極爲有效。它可將髒物和排泄物吸附，起到對傷口保鮮及抗感染作用。ACF還有改善病人狀態、加速傷口愈合、減少傷口色素沉着等作用。對于外傷創傷，如槍傷、刀傷、砸傷，在沒有醫生搶救時，ACF 是最好的急救包紮帶。

3、結語

日本是開發ACF最早的國家。日本東洋紡織公司于1975 年實現了工業化生產，而我國從1980 年代開始投入力量進行研究，到上世紀90年代末開始進入工業化生.產期。我國的ACF生產與開發還僅處于初始階段，其應用領域還遠遠沒有打開。ACF這種新型的功能性中低模量碳纖維，以其優異的吸附性能在水處理，工廠的空氣淨化，化學物質的吸附應用方面其市場開發潛力極大。深入開展ACF結構與性能的研究，爲ACF的生產提供理論依據，並使這種新材料得到廣泛應用，將成爲我國ACF研究的主要發展趨勢。

 

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