綠之源環(huán)保
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活性炭纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)，亦稱纖維狀活性炭，是20世紀(jì)60年代繼粉末狀、粒狀活性炭之后發(fā)展起來的第三代高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料，其超過50%的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前軀體經(jīng)過碳化、活化制成。活性炭纖維是由C，H，O3種元素組成的，主要成分是碳。碳原子以類似石墨微晶片層形式存在，約占總數(shù)的60%，含氧官能團(tuán)如羥基、醚基約占25%，羰基、羧基、酯基約占10%，此外還有其它形式的官能團(tuán)以及金屬等?；钚蕴祭w維的基本性能取決于其前驅(qū)體的物理和化學(xué)性質(zhì)，而它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用又是由其基本性能決定的。與傳統(tǒng)炭吸附材料相比，ACF具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，因而它具有含碳量高、比表面積大、微孔豐富且分布窄，吸附速度快，吸附容量大，再生容易等后者不可比擬的優(yōu)異吸附脫附性能?；钚蕴坷w維的比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，微孔體積占總體積90%左右，其微孔直徑為10μm～40μm。
2 活性炭纖維的分類與制備工藝
隨著科研和技術(shù)的不斷進(jìn)步，ACF的種類日趨繁多，根據(jù)其生產(chǎn)過程的前驅(qū)體不同分為粘膠基、酚醛基、聚丙烯腈基、瀝青基、聚偏二氯乙烯、聚酰亞胺纖維、PBO纖維、聚苯乙烯、聚乙烯醇纖維等等。目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是前4種。
由于原料不同，生產(chǎn)工藝流程也有所不同。綜合考察各種原料纖維到ACF的制備工藝，可將ACF整個制備過程歸納為:原料纖維、可炭化纖維、炭化纖維、活性炭纖維。原料纖維的預(yù)處理有兩種類型，它們分別有不同的作用，其一為無機(jī)鹽溶液浸漬預(yù)處理，能改善活性炭纖維的結(jié)構(gòu)、性能和提高產(chǎn)品的產(chǎn)率。其二為預(yù)氧化穩(wěn)定化處理，能保持纖維形狀，在炭化過程中不熔融變形，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。炭化過程是在氮?dú)鈿夥罩屑訜?，排除纖維中可揮發(fā)的非碳組分，使殘留碳重排生成類石墨微晶的過程。炭化過程直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)率和性能?；罨磻?yīng)是使ACF生成豐富微孔，高比表面積及形成含氧官能團(tuán)的主要過程。常見的活化方法主要有用CO2或水蒸汽的物理活化和用ZnCl2，H2PO4，KOH的化學(xué)活化，處理溫度在700～1000℃間。常用活化劑有水蒸氣和二氧化碳。
3 活性炭的結(jié)構(gòu)特征和性能
3.1 結(jié)構(gòu)
炭纖維經(jīng)活化后，碳原子主要以類似石墨微晶片層、乳層堆疊的形式存在。它的結(jié)構(gòu)特點是有發(fā)達(dá)的比表面積，比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，形成大量微孔，孔徑為10μm-40μm，且分布狹窄而均勻，微孔面積占總體積的90%左右。含有許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)—雜環(huán)結(jié)構(gòu)或含有表面官能團(tuán)的微結(jié)構(gòu)，具有極大的表面能。從而也就造就了微孔相對孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場，提供了一個吸附態(tài)分子和化學(xué)變化的高壓體系。使得吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑比活性炭短、驅(qū)動力大且孔徑分布集中，這是造成ACF比活性炭比表面積大、吸脫附速率快、吸附效率高的原因。另可通過適當(dāng)?shù)谋碛^改性，改變ACF表面的化學(xué)基團(tuán)的種類和含量，來滿足對特定物質(zhì)的高效吸附轉(zhuǎn)化。ACF通常適用于氣相和液相低分子量分子的吸附。當(dāng)吸附劑微孔大小為吸附質(zhì)分子臨界尺寸的兩倍左右時，吸附質(zhì)較易吸附。調(diào)整孔徑的目的就是使ACF的細(xì)孔與吸附質(zhì)分子尺寸相當(dāng)，改性需綜合考慮物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。
3.2 性能
活性炭纖維與傳統(tǒng)炭材料相比具有以下優(yōu)良性能:
3.2.1 吸附容量大
ACF的吸附作用一直是人們研究和應(yīng)用的熱點，活性炭纖維具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，因而吸附量大。對有機(jī)氣體、惡臭、腥臭物質(zhì)，水溶液里的無機(jī)物、染料、有機(jī)物及重金屬離子吸附量比顆粒狀、粉狀活性炭高幾倍至幾十倍。對細(xì)菌、低濃度吸附質(zhì)的吸附能力特別優(yōu)良。
3.2.2 吸附脫附速度快
ACF表面主要是孔徑分布集中的微孔，吸附質(zhì)無需象活性炭一樣經(jīng)長距離的大孔，過渡孔到達(dá)微孔，粒內(nèi)擴(kuò)散阻力小，因而吸附速度快，對氣體液體的吸附一般能在數(shù)十秒至數(shù)分種內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。脫附速度快，且再生容易，用120～150℃熱空氣加熱10～30min即可完全脫附。在多次吸、脫附過程中，仍能保持原有的吸附性能。
3.2.3 氧化還原及催化特性
活性碳纖維的氧化還原性能在其溶液中吸附金屬離子時表現(xiàn)最為明顯?；钚蕴坷w維的氧化還原特性是由一系列電極電位不同的表面活性基團(tuán)引起的，活性炭纖維可以作為還原劑，也可用作氧化劑，這取決于所用體系的電位高低?；钚蕴坷w維在一定的催化溫度下表現(xiàn)出很高的催化特性，通過用H2SO4活化ACF，使其表面有催化能力，可以在NH3存在下把NO還原成N2。
31214 其它特性
ACF還兼有纖維的各種特性，能制成纖維束、紙、布、氈等形狀，且性能良好，還能耐高溫、酸、堿，且能對活性炭纖維進(jìn)行改性，大大拓寬其用途。由于以上性能，活性炭纖維一問世就得到人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，目前被廣泛應(yīng)用于冶金、食品、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。
4 活性炭纖維在揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著有機(jī)化工產(chǎn)品在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)入大氣中的有機(jī)污染物越來越多，主要是低沸點、易揮發(fā)的有機(jī)物(VOCs)。它們主要來源于石油化工行業(yè)所排放的廢氣;造紙、油漆、涂料、采礦和紡織等行業(yè)所排放的有機(jī)溶劑。其中工業(yè)生產(chǎn)中的涂裝業(yè)是廢氣污染嚴(yán)重的行業(yè)，涂料則是起主導(dǎo)作用的第一要素。涂裝作業(yè)中所使用的涂料，大部分為溶劑性涂料，其溶劑含量為60%左右，這部分溶劑最后都散發(fā)到作業(yè)環(huán)境和大氣中去，不但浪費(fèi)資源，而且給工人的健康和大氣環(huán)境造成危害，其中70%左右的溶劑在工人噴涂及流平階段揮發(fā)，通過抽風(fēng)系統(tǒng)排出，30%左右的溶劑在工件涂層固化階段前期，通過固化設(shè)備的排氣系統(tǒng)排出。目前，我國常用涂料所產(chǎn)生的廢氣種類有三苯(苯、甲苯、二甲苯)、苯乙烯環(huán)己酮、丙酮、松節(jié)油，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、溶劑汽油、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等。其中，溶于水的有丙酮、醇類等;微溶于水的有醋酸乙酯、醋酸丁酯等，不溶于水的為三苯等。綜觀國內(nèi)外該類有害氣體的治理技術(shù)，一類是采用焚燒和催化燃燒的凈化技術(shù)，另一類是吸附后的回收利用技術(shù)。從符合可持續(xù)發(fā)展的要求看吸附法更為適用。由于ACF具有優(yōu)良的吸附脫附性能，可有效地將生產(chǎn)中產(chǎn)生的低沸點化合物、脂肪族化合物及VOCs等危害人體健康的有機(jī)溶劑脫除并回收，因此ACF起著替代顆粒和粉末活性炭在有機(jī)廢氣處理中的作用。
4.1 含苯系物廢氣處理
在噴漆行業(yè)中，大量的苯、甲苯、二甲苯等有機(jī)廢氣排放到空氣中，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，金毓荃等用比表面積為1200m2/g。纖維絮片單層厚度2mm的活性炭纖維處理苯系廢氣，當(dāng)在濾速為0.20m/s以下時，ACF對苯、甲苯、二甲苯及其混合物的凈化效率高達(dá)90%以上，ACF對3種不同物料的凈化效率依次是鄰二甲苯>甲苯>苯;在濾速為0.20m/s，ACF對苯系混合物的吸附容量為195mg/g左右;對ACF進(jìn)行脫附后再進(jìn)行吸附，連續(xù)14次實驗其結(jié)果基本保持不變。汪明光等開發(fā)了活性炭纖維吸附處理含甲苯廢氣技術(shù)，并用熱風(fēng)解吸工藝進(jìn)行了實驗。在中試實驗裝置中，活性炭纖維用量510kg，裝料厚度50mm下經(jīng)過吸附、脫附實驗，進(jìn)口濃度為1600mg/m3的廢氣吸附1h，每公斤ACF的吸附量為0.22～0.25kg甲苯。用熱風(fēng)反吹吸附后的裝置可達(dá)到解吸的目的，在脫附開始15～20min內(nèi)，脫附率可達(dá)80%以上。
中國石化集團(tuán)揚(yáng)子石化公司貯運(yùn)廠204棧臺共有裝卸車鶴管24套，用于裝卸苯及二甲苯，裝車過程產(chǎn)生的有害氣體，原設(shè)計由尾氣總管，經(jīng)氣流分離罐、排氣筒高空排放。由于排放氣中芳烴濃度較高，棧臺周圍環(huán)境中苯含量超標(biāo)，影響職工的身體健康。當(dāng)在棧臺尾部設(shè)計了一套FAC吸附—解吸裝置后，回收溶液中苯含量高達(dá)97%，效益可觀。
4。2 醋酸丁酯廢氣處理
目前，許多涂裝行業(yè)采用醋酸丁酯作溶劑，故生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含醋酸丁酯廢氣，造成污染。孫彤等用活性碳纖維作為吸附材料，以恒溫恒壓的空氣作載氣，通過鼓泡法配置一定濃度的醋酸丁酯氣體，當(dāng)氣速為0.06m/s時，ACF平衡吸附量近600mg/g，實驗結(jié)果表明，在溫度、氣體流速、氣體濃度3個因素中，溫度對ACF的平衡吸附量影響最大，隨著溫度的升高，ACF對醋酸丁酯的平衡吸附量下降，傳質(zhì)系數(shù)減少，穿透層高度增大。
4.3 含烷烴廢氣處理
徐雪峰等以ACF為吸附材料，采用吸附法對含環(huán)己烷有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附、回收、凈化處理，運(yùn)行結(jié)果表明，在廢氣量為50～300m3/h，廢氣含環(huán)己烷質(zhì)量百分率為0.1～1.34%的條件下，用活性炭纖維進(jìn)行吸附解吸，環(huán)己烷的回收率達(dá)88%，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。在感光膠片的生產(chǎn)過程中有大量的二氯甲烷廢氣排出。李守信等在二氯甲烷廢氣的治理工程中，設(shè)計采用三箱吸附系統(tǒng)，當(dāng)廢氣流量為10000m3/h，廢氣中二氯甲烷濃度為3000mg/m3的條件下，設(shè)備裝置經(jīng)過半年時間，運(yùn)行狀況一直良好，吸附效率一直保持在97%以上，大大改善了大氣環(huán)境，每年凈收益達(dá)7514萬元。
4.4 甲醇廢氣處理
陸安慧等研究了PAN基炭纖維預(yù)氧氈、炭氈、空氣氧化氈、KOH活化氈對甲醇這種有極性的小分子的吸附性能實驗。實驗發(fā)現(xiàn)活化程度高的ACF對甲醇蒸氣表現(xiàn)出較高的吸附能力。P.Navarri等對二甲醛和乙酸乙酯利用炭纖維材料進(jìn)行吸附處理，著重研究了不同碳纖維、纖維層數(shù)、不同氣體以及氣體濃度間的關(guān)系，取得了較好的效果。ACF吸附容量大而且脫附速度快，在溶劑回收方面也得到應(yīng)用。在回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2000×10-6的含酮混合溶劑中，回收率達(dá)98%，在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的應(yīng)用中，回收率均高于97%。
5 前景展望
活性炭纖維是一種用途廣泛，極具前景的新材料，正逐步從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用。國際上，ACF應(yīng)用在廢水處理中的研究較多，而對氣體的處理主要是應(yīng)用在空氣凈化、除臭等方面，隨著對ACF的形成機(jī)制與吸附機(jī)理所深入研究，技術(shù)不斷進(jìn)步，ACF在處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣方面將得到更為廣泛的使用。自1962年美國專利首次涉及，隨后美國ORNL使用活性炭纖維過濾放射性碘輻射以來，美國、英國、前蘇聯(lián)、特別是日本，是研究和使用ACF的大國，年產(chǎn)量近千噸。國內(nèi)的ACF研究起始于80年代末期，到90年代后期陸續(xù)出現(xiàn)工業(yè)化裝置。但活性炭纖維由于其價格是粒狀活性炭的10倍以上，如活性碳纖維氈的售價比表面積為1200～1400m2/g，每公斤為360元左右;比表面積1400～1600m2/g，售價為430元左右。因此ACF價格的居高不下始終是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。低成本、高密度、高強(qiáng)度的活性炭纖維應(yīng)是今后研究開發(fā)的重點。如A。B。Fuertes等用廢棄的聚合物纖維經(jīng)過一定加工與活化過程，制成了一種吸附性能優(yōu)良的整體活性碳纖維，大大降低了生產(chǎn)成本。國外對ACF的應(yīng)用已進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)，目前我國還處于研究中試階段，相信隨著生產(chǎn)成本的降低以及表面結(jié)構(gòu)與性能的深入研究，ACF將在環(huán)保材料中占有越來越重要的地位。
