活性炭纤维的性能特征与应用

 

李旭明   张茂林   李龙

(西安工程科技学院   710048 )

编辑：弗艾博纤维技术研究中心

 

 

[摘要]:本方主要介绍了活性炭纤维的结构特征和吸附性能，综述了在空气净化、废水处理、净化饮用水、医学等方面的应用.

[关键词]:活性炭纤维(ACF)  吸附  微孔  应用

 

前言

活性炭纤维( Activated CarbonFiber )是继粉状活性炭和粒状活性炭之后的第三代产品。活性炭纤维(ACF)的前驱体是炭纤维，有沥青系纤维、特殊酚醛树脂纤维、丙稀基纤维(PAN)、人造丝纤维。这类纤维制得的活性炭纤维具有以下特征:①比表面积大②吸附、脱附速度非常快③可加工成各种形状④重量轻使用方便⑤可与其他性能的材料形成复合材料⑥容易再生、再利用⑦生成的炭粉尘少。与粒.状活性炭、粉状活性炭相比，虽然活性炭纤维价格较高，但因其有上述特征，故仍能被广泛应用于环保工业、电子工业、化学工业与辐射防护、医用生理卫生等，具有广阔的发展前景。

 

1活性炭纤维 的性能特征

1.1结构特征

ACF是多孔性的吸附材料，含有丰富的微孔，微孔的体积占总孔体积的90%以上，微孔直径小(约2nm左右);其孔径分布窄，特殊的细孔呈单分散分布，由不同尺寸的微细孔隙组成其结构。在ACF中无大孔，只有少量的过滤孔，在ACF丝束间的空间起大孔作用，对气相和液相的物质具有较好的吸附作用。其比表面积大(约1000m²/g 3000m²/g),微孔直接开口于纤维表面，因而吸附容量大、吸附效率高、吸附、脱附速度快，为粒状活性炭的10- 100倍。随着比表面积增大,细孔的平均直径随之增大,细孔容量增加,在细孔内发生吸附后充填细孔内。其比表面积增大吸附容量也增大，为粒状活性炭的1.5-10 倍，可吸附处理低浓度废气或具有高活性的物质。

1.2表面化学结构

ACF表面原子呈不饱合结构，具有独特的表面化学性能，微品在燃烧温度低时易与氧化介质反应成氧化物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基团及含硫基、氮元素、卤素等官能团。其表面酸性与吸附平衡有密切的关系。

 

2、活性炭纤维的应用

2.1加工形态

活性炭纤维具有吸附速度快的特征,并且它是纤维状的，可以随意加工。也就是说，纤维状的活性炭纤维可以加工成各种形态的活性炭，如原丝有棉、丝束、短切纤维等形态，它们可以加工成纸、毛毡、特殊成形品。因此，很容易满足用户的要求。另外，活性炭纤维还可用来其它材料复合成多功能吸附材料。

2.2活性炭纤维的利用

ACF的应用相当广泛，可用于有害气体有毒气体的去除和净化电子电器材料、水的净化、有机溶剂的回收装置、医学等。

2.2.1空气净化

空气中主要污染源是二氧化硫和氮的氧化物及硫化氢和有机挥发物组分等。

含氮沥青ACF在100⁰C的高温下进行热处理后，二氧化硫的稳定态含量只有10%，硫酸从ACF表面的脱除也十分容易;用PAN基ACF可有效地捕捉空气中的硫化氢，在吸附表面上以三氧化硫或硫酸的形式吸附。此外，ACF还能吸附汽车尾气排放的C0₂、 NO₂、 烃、醛类气体，因而ACF可制成千法脱硫装置及汽车尾气过滤装置。

ACF还具有吸附0₃、含氟气体、烟味、人体和仪器排放的多种异味的能力，可用于办公设备的臭氧脱除，并且可制成在航天飞机、潜水艇、坦克等密闭环境及室内使用的空气净化器。

此外，利用ACF对低浓度吸附质具有良好吸附作用的特点，还可制成小巧方便的环保监测仪，监测环境中有害物质的排放。

2.2.2废水的处理及净化

ACF用于水的净化处理具有吸附容量大、吸附速度快、脱附速度快、灰分少、处理量大、且使用时间长的优点。对废水的处理具有特殊的功能，在污水处理中,采用ACF吸附往往用于二级处理或三级处理。将ACF用于环保工程中其操作安全，由于体积密度小和吸脱层薄，不会造成蓄热和过热现象，也不易发生事故，且节能和经济，可用于大型.上水净水处理，不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑占地面积小，设备投资小和效益高。

ACF适用于各种有机废水的处理。它可对含氯废水、制药厂废水、有机染料废水、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。当温度升高后，其吸附能力提高。

用剑麻基ACF可有效去除水中的各种有机染料，如亚甲基兰、结晶紫、烙兰黑R等，去除率高达100%; 沥青基ACF可有效地吸附酸性染料，如酸性蓝74、酸性橙10等，也用于直接染料如直接蓝19、直接黄50及碱性染料的碱性棕1、碱性青紫3等。

对炼油废水和处理结果表明，采用ACF三级吸附的COD达10000mg/L 的废水，净化效率达86%以上.脱附用150⁰C -350⁰C的空气及蒸汽混合脱附、ACF性能不变,静态吸附量大于0. 5g/ gACF:对高浓度和成分复杂的页岩油干馏废水的处理后COD可达低于2000mg/L:对十三吗啉农药废水的处理，采用二级ACF吸附，出水COD< 150mg/L，去除率达94%，饱和后采用5%浓度的酸性无机脱附剂处理，吸附性能可完全恢复:对含PCB₃废水的处理，经单级ACF吸附过的含PCB₃10-27ug/L的废水，出水达到国家排放标准，单柱稳定运行周期70-80天，吸附容量7g/kgACF.

ACF对金属离子具有较好的吸附性能,可吸附水中的银、铂、汞、铁等多种离子并能够将其还原。大多数情况下，其还原反应可以大大促进对这些金属离子的吸附。

2. 2. 3净化饮用水

随着水质污染的日益严重，净化水质就显得尤为重要。对地下水的检测表明，在水中已含有多种氯化物，这些氯化物存在于水中具有致癌作用，在自来水中的含氯物质可用ACF加以去除。用ACF去除水，中的三氯乙烯,在其浓度为1-5kg/m³ , ACF的吸附量为粒状活性炭的4倍，在实际处理中可比活性炭大1个数量级。此外，粘胶基活性炭纤维毡片或腈纶基活性炭纤维织物的纬纱都是经活化处理的具有高效吸附性能的微多孔质的活性炭纤维，可滤出水中各种杂质及微生物。

目前ACF已广泛应用于净水器，物别是载银ACF具有吸附和灭菌的双重功能，用载银ACF对大肠杆菌进行吸附，在含银量增加、比表面积增大时，其吸附量增大，对水中的其它微生物的吸附同样有效。

2.2. 4溶剂回收

采用ACF吸附回收溶剂不仅减轻了环境污染，而且回收溶剂质量较高。在回收浓度为2000ppm的含酮混合溶剂中，回收率达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应用中，回收率均高于97%， 效果相当理.想;在回收醋酸丁酯中，平衡吸附量近600mg/.gACF。

2. 2. 5电子工业中的应用

在微电子科学领域制造芯体过程中,对电镀有特殊的要求，使用活性炭纤维能改善电镀质量;利用ACF的比表面积大、细孔孔径适中和导电性能，可用于制造电池产品的部件:还可开发用于大电流放电的双层电子电容器:在电子和能源方面可用于制造高性能的电容、电池的电极等。ACF可用于制造化学辐射器材，并能除去放射性物质，还可用于核电站的防护材料。此外，在除臭、除湿、电极材料驻电容器等方面也在不断拓展新的用途。

纳米技术的开发,可将ACF用于纳米复合材料，使其向高功能化、表面官能团特殊化的方向发展，作为更新换代产品，对环境保护具有极其重要的作用和意义。

2.2.6医学应用

粘胶基活性炭纤维的无毒性使其在医学领域得到了广泛的应用。由于ACF具有化学稳定性、热稳定性及辐射稳定性，因而使用各种消毒方法进行消毒时，不会发生任何变化。ACF对人体中外源性毒素及内源性毒素的吸附都十分有效，在血液过滤、内服解毒及外伤包扎与治疗方面都有重要用途。

(1)血液过滤ACF对进入人体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。同时ACF对人体内源性毒素的吸附也很有效。因此，用ACF可制成血液过滤器，由于ACF吸附量大，一只血液过滤器的装填量仅需15- 17g,为活性炭装填量的1/20. 由于ACF吸附效率高，通常只需一次就可将血液中的毒素全部清除，而用活性炭往往需要过滤2-3次。

(2)内服解毒剂

ACF对胃液中毒素的吸附效果大大优于活性炭。预先服用ACF,对多种物质的中毒现象都有明显的缓解作用。临床实验表明，预先服用ACF使服毒半致死量提高，并且抢救时的人工呼吸时间也明显变短。

(3)外伤包扎及治疗 ACF在外伤包扎与.治疗中的应用更有独特之处，对于形状复杂、脏物及排泄较多的伤口，使用ACF极为有效。它可将脏物和排泄物吸附，起到对伤口保鲜及抗感染作用。ACF还有改善病人状态、加速伤口愈合、减少伤口色素沉着等作用。对于外伤创伤，如枪伤、刀伤、砸伤，在没有医生抢救时，ACF 是最好的急救包扎带。

3、结语

日本是开发ACF最早的国家。日本东洋纺织公司于1975 年实现了工业化生产，而我国从1980 年代开始投入力量进行研究，到上世纪90年代末开始进入工业化生.产期。我国的ACF生产与开发还仅处于初始阶段，其应用领域还远远没有打开。ACF这种新型的功能性中低模量碳纤维，以其优异的吸附性能在水处理，工厂的空气净化，化学物质的吸附应用方面其市场开发潜力极大。深入开展ACF结构与性能的研究，为ACF的生产提供理论依据，并使这种新材料得到广泛应用，将成为我国ACF研究的主要发展趋势。

 

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