活性炭纤维化学活化与催化活化改性

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

(1)化学活化与催化活化改性

化学活化改性即是化学试剂活化。

催化活化改性是在ACF中添加金属或非金属化合物等添加剂后，再碳化活化，制得中孔ACF。当ACF中添加了金属组分，活化时金属原子对结晶性较高的碳原子起选择气化作用，从而使微孔合为一体，形成中孔。目前文献报道用于中孔ACF的金属化合物有KOH、FeSO4、TiO2、MgO、AgNO3、Co+等。但以上方法会使ACF产物中含有金属杂质，在应用开发上带来不便。非金属添加剂制备中孔ACF并不是仅仅简单地由微孔拓宽而形成，大部分是在非金属添加剂/聚合物碳界面处形成。添加剂种类主要有环氧已烷、炭黑、石墨、PVA、PVAc。

Free manJ.J.等选用3% AICl3，3% ZnCl2，3% NH4Cl，5% NaH2PO4溶液浸泡入造丝，发现由此制得的ACF中孔率大大提高，经分析研究，认为对中孔形成有贡献的是磷酸根离子。

(2)氧化改性

氧化改性主要是利用强氧化剂在适当的温度下对ACF表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面的含氧酸性基团的含量，增强表面的极性。氧化改性又可分为气相氧化和液相氧化，气相氧化是ACF在温度为300～350℃的空气中被氧化，在表面产生含氧官能团，提高亲水性和表面酸性；液相氧化是ACF与硝酸、硫酸等酸性溶液发生氧化反应，引入含氧基团，随着酸液浓度的提高，ACF表面酸性增强。

Morawski等采用硝酸对酚基ACF进行处理，初步的研究结果表明，处理后ACF对三卤甲烷的吸附性能大幅度提高。高首山等通过对ACF的气相氧化和液相氧化处理，改变了ACF的酸性和极性。改性后的ACF对二氧化硫的吸附能力明显增强。

(3)引入含氮基团改性

将ACF浸泡于某些含氮化合物中，改性处理后的ACF表面含氮量增加，提高了吸附能力。大量研究表明，在比表面积为700～2000m2/g、微孔直径10～30μm、微孔容积为0.25～0.13m3/g的再生纤维素系、PAN系、酚醛系、沥青系等ACF上，添加聚乙烯亚胺或对-氨基乙酰-N-苯胺，就可以达到吸附脂肪族醛等臭味的目的，而且它们与ACF表面上的氧(表面氧质量分数最好为10%～20%)有相乘作用，经反复洗涤或随时间推移的性能，劣化极少。

荣海琴等用含氨基的亲水性化合物溶液浸泡处理PAN-ACF，改性后PAN-ACF对甲醛静态与动态吸附都大于未经处理的原样。部分被吸附物于150℃不能够完全脱除，经推知，所发生吸附既有物理吸附又有化学吸附，是其表面官能团与孔结构共同作用的结果。吸附过程中含氮官能团的作用较显著。

(4)负载金属及金属化合物改性

负载金属及金属化合物改性是使金属离子在ACF的表面首先吸附，再利用ACF的还原性，将金属离子还原成单质或低价态的离子，通过金属或金属离子对被吸附物较强的结合力，从而增加ACF对被吸附物的吸附性能。

Oye等研究出载银ACF具有吸附和灭菌双重功能。用载银ACF对大肠杆菌进行吸附，大肠杆菌分布于载银ACF的沟槽处，所吸附的细菌数量随银含量和比表面积的增大而增大；细菌吸附量还与载银ACF表面银颗粒的大小有关。杜秀英等研究了载锰ACF(SACF-Mn)的制备，以及对汽油中乙基硫醇的吸附。梅华等将ACF氧化处理和负载Cu+，发现均能改善ACF的乙烯/乙烷吸附分离性能。以表面氧化改性ACF为载体，CuCl为活性组分的负载型吸附剂较ACF直接负载CuCl吸附剂具有较大的乙烯吸附容量和选择性，其原因是ACF氧化改性后，表面羧基基团明显增多，使CuCl与ACF表面结合力加强，改善了其分散状态，Cu+的利用率提高，乙烯的化学吸附位增多。

以下以载锰剑麻基活性炭纤维的制备为例来说明一下活性炭纤维素的制备。

①纤维的预处理剑麻纤维首先用5%氢氧化钠水溶液浸渍24h,除去其中的果胶等杂质，用水冲洗至中性后，用5%浓度的磷酸氢二铵水溶液浸渍24h，捞出纤维，将其晾干后用于碳化活化。

②碳化活化经上述预处理的剑麻纤维置于碳化炉中，在惰性气体保护下以约8℃/min的升温速度加热至700～900℃，得到不同碳化温度下的碳纤维；在该指定温度下恒温一短暂时间后，以恒定速度通人水蒸气使碳纤维活化，控制活化时间为10～90min，自然冷却后得一系列剑麻基活性炭纤维，记为SACF。

③锰的负载将SACF浸泡在不同浓度的MnSO4溶液中，或浸泡在相同浓度且阴离子或价态不同的锰溶液中24h,饱和吸附后将纤维晾干，最后在氮气中，分解温度下加热处理，获得改性SACF，用SACF-Mn表示。

碳化活化反应符合一级动力学规律，反应速度与活性炭纤维的质量成正比例关系，并且随反应温度的升高，碳化活化反应速度常数也相应提高，反应速度常数随温度的变化关系符合阿累尼乌斯规律，剑麻基活性炭纤维的碳化活化反应的表观活化能为124kJ/mol。

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