活性炭纤维应用

时间：2023-03-24 14:04:06来源：food栏目：食品快速检测阅读：

活性炭纤维应用

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

[应用]ACF适用于各种有机废水的处理，可对含氯废水、制药厂废水、有机染料废水、造纸黑液、苯酚废水、四苯废水、己内酰胺废水、二甲基乙酰胺和异丁醇废水进行处理。其吸附能力比粉状活性炭的吸附能力高得多，尤其适用于高平衡浓度时，每克ACF的吸附量约为粉状活性炭的3倍。其吸附能力随温度升高而提高。

(1)染料废水

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，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。

Zhemin Shen等用ACF电极电解降解29种染料，发现几乎所有的染料溶液都能有效脱色，具有—SO3-、COO-、SO2NH2·和—OH等亲水基团和珍偶氮的染料容易被分解，而具有—C=O、—NH—、芳香基团等憎水基团的染料易被吸附和絮凝。

(2)造纸黑液

贾金平等进行了ACF电极法电解处理造纸黑液的应用研究，发现当pH值为7左右、电解80min的条件下，COD、色度去除率分别达到64.25%和94%。黑液经酸析及聚铝絮凝预处理后进行ACF电极电解，可进一步提高COD及色度的去除率。采用“酸化+电解(45min)+Fenton试剂(60min)”的综合治理方案，上述去除率可分别提高到94.2%和99.6%，出水近乎清澈透明。

(3)高价重金属离子废水

RFu等研究发现，在碱性条件下ACF对Pt4+有很好的还原吸附性能，吸附容量达500mg/g。陈水挟等用经无机氧化剂改性的ACF吸附Ag+，发现改性的ACF在碱性条件下对Ag+的还原吸附容量大大提高，达550mg/g。

十三吗啉农药废水、炼油废水经ACF处理后，COD的去除率分别达到94%和88.2%；含COD达10000mg/L的制药废水，采用ACF三级吸附处理，效果很好，净化效率达86%以上；含75种以上有机物、大量无机物、COD高达20000～50000mg/L的油页岩干馏废水，采用ACF处理，可使出水COD降到1000mg/L以下，净化效率达98%以上，同时提高了BOD5/COD值，为进一步生化处理提供可能；生产丙烯酸丁酯的废水，有机物含量高，COD达1.2×105mg/L，可生化性极差，采用传统的悬浮一澄清一过滤方法处理，根本无法达到排放标准，而用ACF处理后COD<1000mg/L，达到排放标准，去除率达到99%以上。

活性炭纤维的吸附特性如下：

①孔径分布窄且均匀通常ACF的孔尺寸<20A(1A=0.1nm)，大多在8～10A范围。根据ACF吸附N2的数据，Jaroniec等确定了PAN基的和纤维素基ACF的孔径尺寸，发现85%的微孔孔径在10A左右。事实上，大量文献记载的ACF的孔径尺寸均为10A。ACF具有精细孔结构以及孔径分布均匀(或孔径分布窄)的特征，可能是因为两方面的原因导致的。首先，因为前体(聚合体和沥青)是无灰分的，ACF基本不含灰分。在ACF气体活化过程中，任何矿物都可能成为具有催化作用的微粒，这些微粒发挥炭纤维的成孔、隧穿和边沿缩减等作用，矿物的催化效应增大了ACF的孔径。由于炭纤维具有石墨化结构，在气化过程中，微孔被拉长而不是加宽，基面上的碳原子没有活性，不会气化，然而边缘的碳原子是气化的活化点。此外，边缘碳原子的反应是各向异性的，即齿形边缘比椅形边缘更具活性。实际的石墨基面是由不同结晶边缘的复合而成的，具有不同的反应活性。石墨结构基面内的间距为3.35A。气化反应从ACF边缘开始，沿着同一石墨层在相邻边缘继续。因此微孔两个层之间的孔被拉伸，微孔的尺寸约为7A。如果气化反应从两个层结合处上的边缘原子开始，微孔的尺寸会局限在两个层之间的距离内，即10A左右的范围内。所以ACF的孔径尺寸多为10A。Freeman等一系列发表的成果表明，为产生更大的孔以及保证均匀孔径分布，气体活化前需要加入催化剂。

由于孔隙小、孔尺寸分布均匀，使得ACF与吸附质分子间具有很强的相互作用。

②纤维直径小而均匀ACF的前体是炭纤维。因为纤维是采用不同的纺纱技术制造而成，故可以保证其直径非常均匀。活化后纤维直径基本不会变化，大部分商业活性炭纤维直径接近10μm，尽管也有部分活性炭纤维直径为8～20μm。

纤维直径小而均匀对吸附、脱附过程的传质速率有直接和重要的作用。吸附和脱附速率与扩散时间常数D/R2(D为扩散系数，尺为半径)有直接关系。R2/D的值大约为从初始条件开始，在球形颗粒上完成一个扩散步骤的99%所需的时间。随着R值减小，R2/D值急剧下降。ACF仅具有扩散距离小于R(即纤维半径)的微孔，而GAC同时具有微孔和中孔(大孔)。所以扩散时间常数有两种。Ruckenstein等关于双扩散孔结构的分析中描述了两种扩散时间常数的相互关系。所有商业吸附剂中，因为大孔中的扩散距离更长，大孔(球状吸附剂)扩散阻力和微孔一样很重要。

很多研究报道了ACF和GAC固定床中VOC的穿透曲线，并且与GAC固定床进行了对比。Schmidt等研究表明，人造丝基ACF从水溶液中吸附亚甲基蓝的速率比颗粒活性炭高2个数量级，比粉末活性炭高1个数量级。

Suzuki研究了ACF床的轴向扩散行为。轴向扩散系数与流速成比例，且不同吸附床的比例常数可以与床层密度(单位：g/mL)进行关联，并随床层密度的增加而增大。Suzuki利用扩散系数和Freundlich等温线预测了ACF吸附床的穿透曲线。

③石墨化结构、高电导率以及高强度在ACF的发展早期就曾有人指出，由于ACF的高电导率特性，有可能采用原位电再生的方法进行再生，而且再生速率比较快。ACF的石墨化结构使其具有高电导率(或低电阻率)。各向同性ACF的电阻率(根据Ohm定理定义的电阻)为4～6mΩ·cm。这些电阻值仅比石墨电阻率(1.38mΩ.cm)高约3～5倍。

不过ACF布和织物的电阻率较高。Subrenat等定了多种人造丝基ACF织物的电阻率，电阻率值高达600msΩ·cm。ACF复合整体塑料制品的电阻率为130mΩ·cm。不同ACF布比较结果表明，由于孔隙比例较高，电阻率随比表面积的增加而增加(Subrenat等，2001)。

由于ACF具有高电导率，吸附床可以采用电加热再生，这种再生方法称为电热脱附。很多研究团队开展过电热脱附方面的研究。电热脱附有望在诸如VOC治理等净化方面得到应用，Lordgooei等利用纤维布吸附器对此做了示范研究。

由于具有石墨化的性质，ACF可作为耐热材料，因为其燃烧温度高达1000℃。产生的粉尘/细粉少也被认为是ACF的优点之一。

活性炭纤维拉伸强度高，因而可以加工成布、织物、纸、毡以及复合材料等多种形式。加之具有吸附容量大、吸附速率快的特性，这些材料非常有望用于制造体积小、吸附负荷大的吸附设备。例如采用波纹ACF的旋转式吸附器(带逆流热再生装置)已用于从空气中除去溶剂的示范应用。Humphrey和Keller对这种类型的吸附器或称整体式吸附剂进行了详细的讨论。

采用酚醛树脂作为黏合剂制成的活性炭纤维整体复合材料可能用于包括气体分离在内的多个方面。密度小于0.25g/cm3的低密度复合材料特别有望用于气体分离和能源储存(CH4和H4)。Burchell对这些类型的材料进行过详细讨论。

上一篇：活性炭纤维化学活化与催化活化改性

下一篇：改性淀粉类吸附剂制备方法