粘胶基活性炭纤维及其改性研究

活性炭纤维（ＡｃｔｉｖａｔｅｄＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ，ＡＣＦ）是继粉状活性炭（ＰＡＣ）和颗粒活性炭（ＧＡＣ）之后发展起来的一种新型碳材料。活性炭纤维可以按其原料的不同分类，较常见的有粘胶基、酚醛基、聚丙烯腈基和沥青基活性炭纤维，其他原料的有聚偏二氯乙烯、聚酰亚胺纤维、ＰＢＯ纤维、聚苯乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚氯乙烯（Ｓａｒａｎ）基、ＰＶＡ基、天然植物纤维基等系列的ＡＣＦ［１］，其产量以粘胶基最多。粘胶基活性炭纤维的制备原料低廉，得率高，研制成功的最早，结构性能优良，是目前工业化生产和应用最广泛的炭纤维，因而具有及高的研究价值。１结构特点１．１高比表面积粘胶基活性炭纤维的比表面积从９００－２０００ｍ２／ｇ，有巨大的伸缩空间，可以根据不同的需要进行制备。１．２孔径均匀紊乱碳层堆叠的类石墨微晶结构，主要以微孔为主，９２％的孔径＜２ｎｍ［２］。变化范围可以从０．２－２ｎｍ，含有少量的中孔，基本上没有大孔。ＡＣＦ的微孔孔径，直接开口于表面［３］，比较一致。１．３活性基团丰富粘胶基ＡＣＦ的主要成分是碳，此外还有少量的氧和氢等元素，为较纯的纤维素结构，纤维表面结构复杂，有类石墨或交联烃类的碳氢结构单元、羟基、醚基、羰基、羧基等［４］，具有含氮官能团是其应用在脱硫、脱氮领域的一个很重要的因素。由于基团活性强，可以与多种物质发生反应。２性能

２．１吸附性能

活性炭纤维微孔结构直接分布于固体表面，使吸附质分子不需穿过大孔、中孔而直接到达微孔的吸附部位，缩短了吸附行程，加快了吸附速率，使大量微孔得到了充分利用。粘胶基活性炭纤维的吸附容量大，吸附层薄，吸附灵敏度高，在低浓度甚至痕量下，也可进行极其有效的吸附，吸附效率比活性炭高得多；再生容易，对乙醇的再生吸附率超过９５％［５］。２．２电性能

活性炭纤维孔道比较畅通，连接紧密，电阻低，极化性导电性好，适用于作电极材料，且具有耐热性强、热膨胀性低、化学性能稳定等优点，在一些电池或电器的电极生产中已经得到应用。ＡＣＦ制品种类众多，应用方便。２．３氧化还原性能

ＡＣＦ能将一些电极电位较高的离子还原为零价或低价金属，利用ＡＣＦ的氧化还原特性，能把钯离子、六价铬、银离子和三价金离子还原，在贵金属的回收和冶炼，高价有毒有害废水的治理方面，有极重要的参考价值。根据有关资料显示，纤维的氧化还原能力与类石墨片层有关。２．４催化特性

在催化中发挥作用的有石墨层面中π电子、碳原子所具有的不成对电子、表面含氧基团和ＡＣＦ的表面自由基。在处理气态污染物时，ＡＣＦ优于活性炭类催化剂［６］。２．５生物相容性

ＡＣＦ易于微生物固着，具有良好的生物相容性。利用此特性，发挥微生物的降解和活性炭吸附的协同

粘胶基活性炭纤维及其改性研究（河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄０５００１８）梁英娟，罗湘南

［摘要］粘胶基活性炭纤维结构突出，性能优越，吸附量大，制备得率高，便于加工控制和改性处理，因而其产量最多，应用最广泛。介绍了粘胶基活性炭纤维材料的结构特点，性能多样性、加工制备过程和化学改性的国内外研究状况，并对其应用前景进行了展望。［关键词］粘胶基活性炭纤维；吸附；改性［中图分类号］ＴＱ３４２＋．７４２［文献标识码］Ａ［文章编号］１００３－５０９５（２００７）０８－００２６－０３

［基金项目］河北省建设厅基金资助项目（２００５－１２５）［收稿日期］２００７－０５－２９［作者简介］梁英娟（１９７４－），女，在读硕士，研究方向为水污染控制理论与技术。

第３０卷第８期２００７年０８月Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．８

Ａｕｇ．２００７效应，来提高活性炭的吸附容量及去除有机物的能力。为此，在饮用水深度处理中，用其作为载体，快速固定微生物，去除水中有机物［７］。研究表明，ＡＣＦ表面润湿性与某些酸性官能团的增加，有助于表面微生物的生长；增加ＡＣＦ比表面积有利于提高其表面微生物的活性［８］。３制备早期采用直接碳化－活化工艺，所得产品得率甚低，近年来，用化学活化法制备，在结构和性能上都发生了变化，得到了改良，也提高了产率，主要缺点是残留的化学药剂要经多次冲洗［９］。炭纤维的制备工艺也在不断地进行着改良［１０］。化学活化法基本包括预处理、碳化、活化３个反应过程。３．１预处理粘胶基活性炭纤维的预处理分两个步骤［９］，第一步为无机盐溶液浸渍，目的是提高原料纤维的热氧化稳定性和控制活化反应特性，常用的浸渍剂为磷系或氯系化合物，如磷酸铵盐、磷酸、偏磷酸、焦磷酸及氯化锌等无机盐溶液。第二步是预氧化，进行脱水，在氮气或空气中低温氧化，空气中更有利于脱水反应。升温速度、加热时间是主要的影响因素。３．２碳化碳化过程直接影响到产品的产率和性能，可以从升温速度、碳化时温度和碳化时间方面进行控制。热分解反应和热缩聚反应是碳纤维形成的重要步骤，目的是去除挥发组分、富集碳元素［１１］，为残留碳重排生成类石墨微晶结构。原料不同，碳化机理也有所差别。３．３活化常用活化剂有水蒸气和二氧化碳，水蒸气活化制得的多孔碳具有较大的吸附容量和较宽的孔径分布，但二氧化碳活化能得到更好的微孔结构，较大的微孔容积和窄的孔径分布［１２，１３］。因为水蒸气的活化能力比二氧化碳强，活化速度快，工业上用得最多的是水蒸气，也有的加入微量空气以提高产品质量。黄正宏等［１４］用氢氧化钾活化，制得了丰富的小于ｌｎｍ的孔径范围的碳纤维。在活化反应中，活性炭纤维形成发达的微孔结构和比表面积，表面还生成许多含氧活性官能团。活化过程受活化剂的种类、活化温度、活化时间、活化剂浓度以及预氧化程度的影响。４粘胶基活性炭纤维的改性为了使活性炭纤维的性能更加优良，现如今许多研究人员［１５－１７］通过控制活性炭纤维的结构，对其表面进行改性处理，收到了很好的效果。主要是通过改变孔隙结构和表面化学结构两方面进行调控，孔隙结构是决定吸附容量的主要因素，许多情况下表面化学性质可决定其在气相和液相的吸附行为以及作为催化剂和催化载体的活性［１８－２０］。活性炭纤维经过改性处理，能根据需要有效的改善其结构，改变比表面积、孔径、含氧基团的种类、数量，使其应用效果得到进一步的提高，应用领域也更加广泛。（１）浸渍法浸渍法就是把ＡＣＦ浸渍在需要的改性溶液中，然后通过烧结或相应的化学反应对ＡＣＦ进行改性。一般有硝酸、过氧化氢、硫酸、无机盐类、含氮化合物等，浸渍后可以创造出更加丰富的微孔，提高表面的含氧基团的含量。把ＡＣＦ在酸性溶液中浸泡，利用酸碱中和反应可以提高对氨的吸附能力。同样，采用添加了氢氧化钠等加碱的ＡＣＦ，可以提高对二氧化硫、二氧化氮硫醇之类的酸性气体的吸附性能。在ＡＣＦ上添附胺及胺的诱导体，可提高ＡＣＦ对醛类的吸附性能。也可以在制备活性炭纤维的前驱体原料的纺丝液中加入金属盐，再经过碳化、活化，得到负载相应金属的ＡＣＦ。（２）加热法经８００－１０００℃高温处理的活性炭纤维在结构上发生了很大变化。据资料显示，在惰性气氛中高温热处理导致ＡＣＦ表面碱性官能团总量增加，表面的微晶排列、定向也发生改变［２１］。这是由于ＡＣＦ表面不同种类的含氧官能团的热稳定性不同，故在热处理温度改性后所得ＡＣＦ的表面化学性质不同，进而可影响ＡＣＦ的吸附性能。通常对含水分气流中或水溶液中的有机物吸附时，采用高温处理，来脱除表面含氧基团，使其亲水性减小，以提高其对有机物的吸附能力。（３）远程等离子体处理法远程等离子体技术是一种利用等离子体处理材料的新技术，主要受放电时间、放电功率、放电压力及远程距离等因素的影响。该方法可以使活性炭纤维的化学键断裂，改变表面的刻蚀程度，使之减重，增加了表面自由基的含量。陈杰瑢［２２］等对粘胶基活性炭纤维进行了远程等离子体改性，认为改性后的活性炭纤维表面含氧官能团数量增加，对碱性染料结晶紫的吸附能力增强。远程等离子体可以减少由于电子、离子等高能活性粒子对样品的轰击引起的损伤，有利于控制目的性反应。５前景与展望

活性炭纤维主要是应用在处理微污染的原水和较低浓度的废水，限制其广泛应用的主要的原因之一

・２７・第８期梁英娟罗湘南：粘胶基活性炭纤维及其改性研究是价格较高。随着技术的不断进步，制作工艺的不断改进，活性炭纤维的生产成本会逐步降低，其应用领域也必将得到进一步的开拓，在环境治理方面发挥越来越大的作用。活性炭纤维在处理环境污染方面应从以下３点给予重视，逐步得到完善：（１）扩大活性炭纤维的处理范围由于活性炭纤维的微孔结构，孔径范围狭窄，限制了其对大分子污染物的吸附。通过改性处理或改变制作工艺的方法，可以获得中孔和大孔的ＡＣＦ，也可以用来处理难降解污染物。经过不同方法处理后，活性炭纤维的特异性不同。因而可根据污染物的不同性质，探索合理的活性炭纤维处理途径，具有很好的应用与研究价值，也可扩大其应用领域。（２）与其他技术联合使用是活性炭纤维的新研究方向活性炭纤维不但有较强的吸附能力，其电性能、催化性能、生物相容性都可以得到良好的发挥。所以，活性炭纤维电极电解法，吸附和光催化氧化的结合以及ＡＣＦ与臭氧氧化和生化处理复合技术都取得了一定的成效，具有极大的研究与应用价值。今后，对于活性炭纤维与其它技术有效结合的方式、方法及其新潜在性能的开发与应用，应获得足够的重视与研究，进一步发挥活性炭纤维具有多种性能的优点，使其功能更加完备。（３）开发出低成本、高强度的活性炭纤维，并减少其使用能耗为了进一步提高ＡＣＦ的性能价格比，国内外做了大量的工作，将ＡＣＦ与其他材料复合，充分发挥复合材料的优越性，具有较好的发展前景。另外，发展ＡＣＦ废气、废水处理新工艺来有效降低压损，也有助于降低生产成本，早日实现从科研成果到工业生产的真正应用。［参考文献］［１］

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［５］［６］［７］［８］［９］［１０］［１１］［１２］

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［１４］［１５］［１６］［１７］［１８］［１９］

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［２２］Ｖｉｓｃｏｓｅ－ｂａｓｅｄＡｃｔｉｖａｔｅｄＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒｓａｎｄＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＬＩＡＮＧＹｉｎｇ－ｊｕａｎ，ＬＵＯＸｉａｎｇ－ｎａｎ（ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｓｃｏｓｅ－ｂａｓｅｄＡＣＦｈａｓｐｒｏｍｉｎｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｓｕｐｅｒｉｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙ，ｉｔａｌｓｏｈａｓｈｉｇｈ－ｙｉｅｌｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｔｈａｔｆａｃｉｌｉｔａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍａｋｉｎｇｉｔｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｙｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｖｉｓｃｏｓｅ－ｂａｓｅｄａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｉｖｅｒｓｉｔｙ、ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｓｃｏｓｅ－ｂａｓｅｄａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ