基本介紹
- 中文名：活性炭纖維
- 外文名：Activated Carbon Fiber
- 簡稱：ACF
- 別稱：纖維狀活性炭
- 套用領域：水淨化、航空、軍事、核工業等
- 特點：吸附效率高
簡介,性能特點,結構,微孔形結構,表面化學結構,用途,吸附能力,再生方法,製備方法,表面改性,化學溶液浸漬,高溫熱處理,電極氧化,微波處理,低溫電漿,
簡介
活性碳纖維(ACF)是20世紀70年代發展起來的一種新型、高效、多功能吸附材料，是繼粉狀活性炭和粒狀活性碳之後的第三代產品。活性碳纖維具有大比表面積(1000～3000m2/g)和豐富的微孔，微孔體積占總孔體積90%以上。活性碳纖維具有比粒狀活性碳更大的吸附容量和更快的吸附動力學性能，在液相、氣相中對有機物和陰、陽離子吸附效率高，吸、脫附速度快，可再生循環使用，同時耐酸、鹼，耐高溫，適應性強，導電性和化學穩定性好，是一種比較理想的環保材料。目前，隨著對活性碳纖維的表面結構和性能關係的探索和了解，活性碳纖維的表面改性技術及其在污染物淨化領域中的套用研究越來越受到重視。
傳統的活性炭是一種經過活化處理的多孔炭，為粉末狀或顆粒狀，而活性碳纖維則為纖維狀，纖維上布滿微孔，其對有機氣體吸附能力比顆粒活性炭在空氣中高几倍至幾十倍，在水溶液中高5~6倍，吸附速率快100~1000倍，沒有確切數值，這與活性碳纖維的種類、製作工藝等有關。它是繼活性炭之後新一代的吸附材料，它的使用只是近20多年的事，世界上只有少數國家能夠生產。它的製品可以是絲、紙、氈、布等形式，活性碳纖維的市場價格在40萬/噸左右，是活性炭的十幾倍到幾十倍（煤質活性炭價格在1萬/噸左右，椰殼活性炭價格在2萬/噸左右）。但因其重量極輕，其製品成本只是略有增高而已。在工業上利用它的超強吸附能力去回收有機溶劑，淨化空氣，淨化用水。
ACF（碳纖維）是繼廣泛使用的粉末活性炭、顆粒活性炭之後的第三代新型吸附材料，它是由纖維為原料製成，具有比表面積大、孔徑適中、分布均勻、吸附速度快、雜質少等優點；被廣泛運用於水淨化、空氣淨化、航空、軍事、核工業、食品等行業；
活性炭纖維演變
活性炭纖維對比性能特點
功能活性碳纖維與傳統的吸附劑——粒狀或粉狀活性炭相比，具有優良的結構與性能特徵。ACF纖維直徑細、比表面積大、微孔結構發達、孔徑小且分布窄、吸附容量大、吸脫速度快、再生容易。它對ppb級的痕量物質吸附特別有效，亦即低濃度下吸附效率高(例如對甲苯的吸附，GAC至少為100ppm，而ACF可達10ppm。另外ACF製品濾阻、濾損小、強度高、不易粉化、容易處理、淨化純度高、雜質少。
ACF對各種有機和無機氣體以及水溶液中的有機物和貴重金屬離子等具有較大的吸附量和較快的吸附速度，淨化效率高。尤其聚丙烯腈基活性碳纖維(PAN-ACF)中含有氮，對硫系化合物和氮系化合物具有特殊的吸附能力，這是任何其他原料基ACF無法與其比擬的。
ACF對低濃度物質更顯優異的吸附性能，在處理微量雜質和提純溶液的套用上，GAC和PAC是無法與其比擬的。同時，ACF具有耐鹼、耐酸、耐高溫、導電和化學穩定性等。最重要的是ACF可操作性好，具有普通纖維的機械物理性能，能自由地加工成不同形態的纖維製品(如布、帶、氈等)，能與其它功能纖維複合使用，便於設計出更加小型緊湊的各種吸附和過濾裝置，為工程套用和設備簡化帶來更大的便利。
而且，ACF製品在振動下不會發生裝填鬆動或過緊，克服了GAC和PAC在操作時易形成溝槽和沉降等問題，特別適合吸附和脫附頻繁的廢水處理和空氣淨化。所以，國外已經在環保、化學化工、食品、醫療衛生、國防軍工、航空航天、原子能、電子、交通運輸、紡織和日常生活等領域廣泛套用了ACF及其製品。
結構
活性碳纖維的纖維直徑為5~20μm，比表面積平均在1000~1500m/g左右，平均孔徑在1.0~4.0nm，微孔均勻分布於纖維表面。與活性炭相比，活性碳纖維微孔孔徑小而均勻，結構簡單，對於吸附小分子物質吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。與被吸附物的接觸面積大，且可以均勻接觸與吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細的表態，孔隙直接開口在纖維表面，其吸附質到達吸附位的擴散路徑短，且本身的外表面積較內表面積高出兩個數量級。對於有些大分子或顆粒物質，如二惡英、粉塵等，體積已經接近乃至大於活性碳纖維微孔體積，難以被吸附，相比較活性炭更占有優勢。
活性炭與活性碳纖維孔結構比較
活性碳纖維孔徑分布攔截功能對比表：
粉末活性炭（Pac）<顆粒活性炭（GAC）<活性炭棒（CTO）< PP<碳纖維（ACF）
活性炭纖維攔截能力對比微孔形結構
微孔半徑在2nm以下，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，並且中孔、小孔擴散呈現出多分散型分布，在各細孔結構中的差別較大，其主要原因在於原料的不同。在活性炭纖維中無大孔，只有少量的過渡孔，微孔分布在纖維表面，其吸附速率快，活性炭纖維絲束的空間起大孔作用，對氣相與液相物質具有較好的吸附作用，其外比表面積大，吸脫速度快，為粒徑活性炭10~100倍。隨著比表面積增大，細孔的平均孔徑隨之增大，細孔容積增加，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大，為粒狀活性炭的10倍，可吸附處理低濃度廢氣或具有高活性的物質。活性炭纖維的體積密度小，濾阻小、可吸附粘度較大的液態物質，且動力損耗小。
表面化學結構
活性碳纖維固體表面原子呈不飽和結構，具有獨特的表面化學性能，微晶在燃燒溫度低時易與氧化介質發生反應生成氧化產物，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係。
按照國際純粹與套用化學聯合會(IUPAC)的分類標準，吸附劑的細孔分為三類:孔徑大於50nm的為大孔，2nm~50nm的為中孔，0.8nm~2nm的為微孔以及小於0.8nm的為亞微孔。活性炭纖維的孔主要是亂層結構炭和石墨微晶形成的微孔。微孔的大量存在使活性炭纖維的表面積增大，同時也使其吸附量提高。吸附劑中的大孔是作為被吸附分子到達吸附位的通道，它控制著吸附速度;活性炭纖維其纖維直徑一般在10nm~13nm、外表面積大、微孔豐富且分布窄、易於與吸附質接觸、擴散阻力小，所以其吸脫附速度快，有利於吸附分離。而且，可以根據需要製成氈、布、紙等各種形態，適應於多種用途。
活性炭纖維是由CF活化而成。CF為多晶亂層石墨結構，轉化成活性炭纖維後，結構基元不變化。活性炭纖維是非均勻性的多相結構。由於高溫水蒸氣將部分原子脫去後形成微孔結構使之生成羧基、羰基等含氧活性基團，使其表面的酸性增加。比表面積約為1200m2/g，遠大於CF，在苛刻條件下活化時可達3000m2/g。
活性炭纖維為分布狹窄單一孔徑的微孔結構，其孔可以產生毛細管的凝聚作用。由於具有微孔，其吸附、脫附速率遠大於兩個數量級，吸附量大。在填充床中流體的床層阻力小，可作為催化劑與催化劑載體使用在活性炭纖維分子內的痕量雜原子為磷、氮、氯等。在活化時，部分雜原子被脫去後，表面的雜質大大減少。由於活化中氧化氣體的作用，表面含氧基團增強，主要有酸性基團，如羧基等。中性基完備如羰基、內酯基等。鹼性基團有過氧化基等。
活性炭纖維會因活化的方法不同，而生成不同表面含氧基與表面酸鹼性不同的產物。在水的作用下，其氧化還原能力更強。由於水的存在可以使一些基團氧化成羥基。由此在表面含氧基團數目增加後，表面氧化還原容量增大。
用途
活性碳纖維氈用於有機溶劑的回收，對於從氣相分離回收有機溶劑，如對苯類、酮類、酯類、石油類的廢氣均能從氣相吸附回收。用活性炭纖維作溶劑回收材料吸附脫附速度快、處理量大，回收溶劑質量高，回收率可達90%以上。
隨著人類環保意識的不斷加強，對於生存的環境，特別是對空氣、水等淨化密切相關的活性炭等環保材料的性能要求越來越高，粒狀或粉狀活性炭已能很好滿足使用要求。傳統的活性炭是一種粒狀或粉狀的炭材，自20世紀初實現工業化生產以來，在分離及淨化水及其它液體的除臭、淨化等方面得到廣泛套用。粒狀或粉狀的結構，它的吸附速度較慢，分離效率不高，特別是它的物理形態在套用時有許多不便，限制了套用範圍。
活性炭纖維孔徑小且分布窄，吸附速度快，吸附量大，容易再生。與粉狀(5nm~30nm)活性炭相比，活性炭纖維在使用過程中產生的微粉塵少，可製成紗、線、織物、氈等多種形態的製品，使用時更加靈活方便。活性炭纖維被認為是21世紀最優秀的環保材料之一，在氣體和液體淨化、有害氣體及液體吸附處理、溶劑回收、功能電極材料等方面已得到成功套用。
飲用水的淨化
隨著工業的發展與都市人口的密集，水的污染越來越嚴重，都市區內的生活廢水處理量已越來越大。在廢水中特別是工業廢水中的有機污染物有大量增加的趨勢，並且化工、冶金、煉焦、輕工等產業中的廢水為最主要的污染源，其含有的有毒物和有害物已在對生態環境構成威脅。隨著城市化的加速，有機物的污染，都市生活污水量的不斷增加，使工業廢水中排放的有機物不僅數量增加而且有毒的物質，對環境造成極大危害，因此確保優質飲用水的供應是一件至關重要的事情。
用活性炭纖維處理地下水可以獲得很好的效果。自來水中的殘氯也可用活性炭纖維吸附。地下水中的三氯乙烯(TCE)不僅使飲用水變味，而且在人體某一器官內積累後將誘發致癌，因此TCE的污染是一個非常嚴重的問題。活性炭纖維對水中TCE的吸附量為粒狀活性炭的4倍。對大腸桿菌的吸附，所吸附的細菌數量隨比表面積的增大而增大。細菌吸附量還與活性炭纖維表面銀顆粒的大小有關。對水中的生物吸附，活性炭纖維也非常有效。
近年來，城市人口的增加已使飲用水的供應不足，國內用活性炭處理三鹵甲烷廢水，其有效去除率僅為40%。對地下水的檢測表明，在水中已含有多種氯化物，這些氯化物具有致癌作用，自來水中的含氯物質可用活性炭纖維加以去除。用活性炭纖維去除水中的三氯乙烯時，活性炭纖維的吸附量為粒狀活性炭的4倍，在實際處理中可比活性炭大1個數量級。
能夠吸附的有機物有：烴類（苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、正己烷、環己烷 等） ，鹵代烴（氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、三氯乙烯、三氯乙烷、溴甲烷、 四氯化等），醛酮類（丙酮、環己酮、甲醛、乙醛、糠醛等），酯類（醋酸乙酯、醋酸丁酯等），醚類（甲醚、乙醚、甲乙醚等） ，醇類（甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇等），聚合用單體（氯乙烯等）
用於空氣淨化，可有效去除空氣中各種有害惡臭物質，尤其是致癌物質、芳香族類的化合物（如苯類，醛類）可使空氣潔淨清新。
用於污水處理，適用於處理含酚、醫藥、硫醇等難以分解的有機廢水。
用於食品、飲料、醫藥的淨水處理；製糖釀酒行業生產中的脫色除臭、飲用水的淨化、殺菌，自來水中去除余氯等用途。
電子及能源方面的套用、可生產高容量電容、畜電池電極、導電發熱材料等。
在軍事防護方面可用於戰地施救做手套、敷料、綁帶和防化屏，以及防化部隊的化學防護服，還可用於軍用床品及軍用醫用床品。
吸附能力
含碳纖維高溫活化後，纖維表面布滿微孔（即氫、氧原子揮發前所占位置），其孔徑為一根頭髮絲的十萬分之一，把這些微孔的內表面展開，1g活性碳纖維氈的展開面積高達1600m，這是這些微孔起到了吸附氣味的作用。從物理學可知，物體的表面對外存在引力，表面越大吸附力越大，活性碳纖維正是通過這種范德華力的作用吸附周邊分子並牢固與微孔之中。
活性炭纖維吸附功能對比
活性炭纖維吸附功能對比吸附功能對比表：
粉末活性炭（Pac）<活性炭棒（CTO）<顆粒活性炭（GAC）<碳纖維（ACF）
再生方法
活性炭纖維氈久用之後，微孔會被填滿，致使吸附能力有所下降。使用某種辦法可使吸附質的動能增加，擺脫引力，自活性碳纖維中逸出（不能完全解吸）。此時活性炭纖維的吸附功能即可復原，重複使用。活性炭纖維脫附再生的方法很多，如熱蒸汽解吸法、氮氣解吸法等，有機廢氣治理中常用熱蒸汽解吸法。工業上的解吸需要專門裝置，而一般民品只需晾曬或電熱吹風即可。
製備方法
活性碳纖維的前軀體為碳纖維或各類預氧化纖維，其主要成分為碳材料。常用的活性碳纖維製備即活化方法按活化劑的不同，分為氣體活化法和化學試劑活化法兩種。氣體活化法以水蒸汽、二氧化碳或微量空氣為氧化介質，使碳材料中無序碳部分氧化刻蝕成孔，這種方法使用的比較多，研究的也較為清楚；化學試劑活化法用化學藥劑浸泡碳材料，在加熱活化過程中，使其中的碳元素以一氧化碳、二氧化碳等小分子形式逸出，常用的化學藥劑有ZnCl2、KOH等，由於這種方法產生的活性碳纖維性能不穩定，所以較少使用。
表面改性
ACF的表面官能團的種類、數量給吸附和催化帶來了重大影響，因此，一些研究者通過改性的方法來更有效地挖掘活性碳纖維的潛力。目前活性碳纖維表面改性的技術主要包括化學溶液浸漬、高溫熱處理，化學氣相沉澱，電極氧化，微波處理，氣相反應和低溫電漿等。
化學溶液浸漬
化學溶液浸漬是將活性碳纖維浸漬在一定的化學溶液中，使其表面化學性質發生變化，從而提高活性碳纖維的一定化學反應與催化反應能力的方法。不同化學溶液浸漬可以達到不同的改性效果，一般常用的化學溶液有硝酸、硫酸、H2O2、磷酸、鹽酸等，其它的還有一些金屬化合物溶液，如NaOH、KOH、FeSO4、MnSO4、AgNO3、Co等。硝酸浸漬是套用最多的一種表面改性方法，易改變活性碳纖維的表面化學性質，也易改變其比表面積和孔結構。以硝酸為處理液氧化載體ACF可以提高催化劑的反應活性。
高溫熱處理
高溫熱處理是在惰性氣體(N2，He或Ar)保護中，通過在高溫下對活性碳纖維進行熱處理得到所需求的表面化學性質。高溫熱處理技術可以有效地使活性碳纖維表面官能團分解，改變其表面積、孔結構與活性位數。I Mochida等I對ACF高溫(850 ℃)熱處理後發現ACF的疏水性增強，表面官能團分解釋放的表面缺陷位是NO吸附與氧化的活性位，熱處理雖提高了ACF的NO氧化反應活性，但ACF對NO吸附能力則是減弱的。另外，經熱處理碳表面官能團分解會形成不含氧的鹼性官能團，表面碳原子有一定程度的石墨化，石墨微晶存在大量的游離π電子，從而具有Lewis鹼性特徵。S.S.Barton等測試碳表面酸鹼位認為經熱處理的碳表面鹼性位更多，可得到表面pH>10，且大約每減少六個酸性位就可以增加一個鹼性位。
電極氧化
電極氧化法被認為是提高活性碳吸附性能的一種有效、簡單的表面處理方法。Park等以ACF作為陽極，在NaOH溶液中電解，使負離子吸附到ACF表面，引入了羥基、羧基等表面官能團；在HCI溶液中電極氧化處理的活性碳，獲得了較理想的改性效果，吸附能力也得到提高。
微波處理
微波處理其實也是一種熱處理，但比熱處理的時間短，電能利用率高，氣體消耗較少。目前該法是碳材表面處理技術中研究的熱點之一。J.M.V Nabais等採用該法改性ACFs，ACFs表面的酸性官能團（羥基，羰基）被分解或還原，鹼性基團吡喃酮的引入致使其表面化學性質改變，而且ACFs經該法氧化所得的表面化學穩定性很好。
低溫電漿
低溫電漿表面處理技術目前在國內外已被廣泛套用於高分子聚合材料、紡織品、金屬和塑膠製品等表面的處理。改性僅發生在材料的表面層(幾個埃到微米級)，因而不影響基體固有性能；作用時間短(幾秒到幾十秒)，效率高；不產生污染，無需進行廢液、廢氣的處理，因而節省能源、降低成本；工藝簡單，操作方便。低溫電漿技術用於碳材料改性的研究開始成為新的熱點。該技術可以使碳材料表面組成發生明顯的變化，導致接觸角的減小以及表面能的提高，同時由於表面官能團的引入可提高碳材料的利用效率。
