活性炭纤维吸附及脱附技术研究

1、活性炭纤维吸附及脱附技术研究程萍(常州大学环境与安全工程学院 , 江苏常州 213164摘要:活性炭之后出现新一代的吸附材料:活性炭纤维, 活性炭纤维的吸附力比颗粒活性炭 高几倍到几十倍,吸附的速率也快到近 1001000倍,具有比分布均匀、吸附速度快、杂质 少、表面积大、孔径适中、等优点。本文介绍了活性炭纤维的特征意义、制备技术、脱附技 术、发展趋势和应用等方面。关键词:活性炭纤维;制备方法;脱附技术;应用领域Study on Adsorption and Desorption of Activated Carbon FibersCHENG Ping (SchoolofEnvironment

2、alandSafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Cha ngzhou 213164,ChinaAbstract :Activated carbon fiber is a new generation of adsorbent after activated carbon. Its adsorption capacity is several to several times higher than that of granular activated carbon and its adsorption rate is 100-1000 times fast

3、er. It has the advantages of large surface area, moderate pore size, uniform distribution, fast adsorption, Less advantages. In this paper, the characteristics of activated carbon fiber, preparation technology, desorption technology, development trends and applications.Key words:Activated carbon fib

4、er; preparation means; desorption technology; application fields 1. 活性炭纤维的特征意义1.1活性炭纤维定义活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,简称 ACF 是经过活化的含炭纤维,简单地说 它是将某种含碳纤维经过高温活化, 然后表面出现纳米等级的孔径, 比表面积增加, 物化特 性也随之改变 1。1.2比传统活性炭优势的体现传统活性炭是通过活化处理的多孔炭,呈现颗粒状或者粉末状,活性碳纤维为纤维状, 纤维上很多微孔, 对于有机气体, 活性炭纤维的吸附力比传统活性炭在空气中高几倍至几十 倍, 水溶液中也高 5

5、到 6倍, 吸附速率快到 100至 1000倍。 近 20多年活性炭纤维才开始使 用,只有个别国家能生产它。它的原料可以是纸、布、丝等形式,它的市场价格比较高, 40万 /吨左右, (煤质活性炭价格 1万 /吨左右,椰壳活性炭价格 2万 /吨左右 。但它的制品成 本只略有提高是因为它的重量比较轻 2。 根据它的超强吸附能力可用在工业上回收有机溶剂, 净化用水和空气。 ACF 具有比表面积大、 孔径适中、 分布均匀、 吸附速度快、 杂质少等优点 ; 被广泛运用于工业、食品、空气净化、水处理、航空、军事等行业。1.3活性炭纤维的结构ACF 微孔为主要孔,达到总体积 90 %以上 , 无大孔过渡孔

6、, 孔径单分散而且小 3。 ACF 的孔径小 , 所以吸附分子进入微孔时被孔壁向内辐射的引力所握持 , 所以 ACF 不仅吸附量 大 , 而且吸附力强。它的微孔直接分布于纤维的表面 , 所以吸附时能够直接与吸附质接触 , 吸附和解吸过程很短 , 因此有较高的吸附速率和解吸速率。ACF 内碳元素量达到 80 %以上 , 主要由碳原子组成 还有少量氧元素和氢元素 , 部分 还 有少量 N 、 S 等杂原子 。活性炭纤维表面的碳和氧元素能结合形成一系列支配表面化学结 构的含氧官能团 4。1.4活性炭纤维的特点比表面积大,一般可达 1000到 1500m 2/g,吸附容量是粒状活性炭的 5到 10倍。

7、外表面 积大,吸脱附速度快,位粒状活性炭的 10到 100倍,成本低,设备体积小,强度较高,不 容易密实和粉化,也不会造成二次污染。纯度高,可用于医疗卫生和食品等工业 5。由于碳 含量高,耐高温,在 4000C 以下正常使用。 ACF 吸附效率高,可以吸附重金属和低浓度的有 害气体。2. 活性炭纤维的制备技术2.1预处理预处理主要分预氧化和盐浸渍两种。 盐浸渍顾名思义就是把原料纤维充分浸渍在盐溶液 中 , 之后将其干燥。 此方法比直接进行炭化或活化的既提高收率 , 同时也改善了其纤维力学 和吸附性能。 预氧化处理一般采用空气预氧化 , 原料纤维在一定的温度范围内 , 慢慢预氧化 一段时间 ,

8、或按照一定升温程序升温预氧化 6。 预氧化主要是防止纤维高温炭化和活化的时 候发生熔融并丝。将预氧化和盐浸渍处理相结合效果最佳。2.2炭化炭化就是在 N 2等惰性气体的环境下在 8001000对纤维进行热处理 , 然后除掉大部 分非碳的成分 , 最后形成有类似石墨微晶结构的炭化纤维。2.3活化活化是在高温下用氧化性气体刻蚀炭化纤维 , 使所得 ACF 具有理想的微孔结构和较高 的比表面积。活化的方法有化学活化法和气体活化法。用于活化的气体有 CO 2和 O 2等。水蒸 汽、二氧化碳和碳的反应是吸热反应 ; 氧和碳的反应是强放热反应 , 难于控制反应温度。 3. 活性炭纤维的脱附技术3.1过热蒸

9、汽脱附再生利用吸附剂达到平衡后所吸附的介质在过热蒸汽或空气作用下进行热解和气提, 从吸附 剂中解吸出去。再生效果通常与吸附质的性质,特别是挥发性有关。因为 ACF 具有疏水性, 所吸附的有机成分有较好的挥发性, 用一般的空气或者过热水蒸汽就能得到不错的解吸效果。 而有些有机物含有特殊的官能团沸点较高, 使其随水蒸汽或空气挥发的可能性小; 还有某些 低分子醇, 沸点低但是亲水性强, 也不易随空气或者水蒸气挥发, 所以为了有效脱除这类吸 附物,须用较高温度的过热水蒸汽或空气根据热分解和高温挥发的双重作用解吸再生,如 200500 的过热水蒸汽等 7。但要值得注意的是:吸附完成后吸附剂还含有约 45

10、 倍自身重量的水难以用机械或气 体吹脱方式除去水蒸汽的存在, 不利于有机吸附质的热解, 吸附剂再生效率受到一定影响解 吸再生下来有机组分全部溶入饱和蒸汽中,需要冷凝处理。3.2电流加热脱附再生ACF 既有良好的吸附性能,同时又是良好的导体。向活性炭纤维上给予一定的电流,用 其自身的电阻产热, 使纤维上的有机吸附物组分升温发生热解吸, 后通过空气、 氮气等适量 的气提介质将其氧化分解、气提出去,最后活性炭纤维得到再生 8。因为电加热时产生的热 量较大, 不用向系统中引入蒸汽和水, 于是再生可以在很短的时间内完成。 这种方法具有再 生彻底、速度快、设备简单、易操作的优点。注意点就是活性炭纤维起发热

11、作用的电阻是由纤维束或纤维毡紧密压实结合成的整体 产生的。 压实密度和均匀性容易导致局部电流分布不均。 因为不能采用过高的电流, 所以限 制了大的加热功率, 如果要使活性炭纤维的快速再生, 就必须对较大处理装置进行分段分解 再生或者降低单个处理装置的规模。3.3电加热脱附再生电加热属于热再生的一种方式, 因为活性炭纤维导热性能良好, 局部受热后的热量能快 速扩散到其它部位, 特别是气提介质的流动, 可以在很短的时间里使均匀受热, 温度能够迅 速提高。 相比电流加热的方式, 电加热缓解了局部过热的问题, 所以对气提介质的选择范围 更大一点, 既可采用氮气等惰性气体, 也可以采用空气。 同时对吸附

12、处理装置的材料要求较低。 在电加热再生过程中, 为提高电的加热效率和使热量分布均匀, 加热电阻应与活性炭纤 维材料充分接触,减少死角。3.4微波脱附再生微波加热是一种全新的热能技术, 与传统加热不同, 微波加热不需要外部热源, 而是向 被加热材料内部辐射微波电磁场,推动其偶极子运动,使之相互碰撞、摩擦而生热。首先, 加热速度快。 由于微波能够深入含有一定水量的活性炭纤维内表面, 从内部发生热量, 减少 了热传导阻力,将使加热速度提高了数十倍 9。其次,由于微波从内部发生热量,并对特定 的需要加热的材料进行加热,而产生微波的装置本身不产生热辐射,热效率较高。 第三,由 于维持一定的微波频率和电场

13、强度,受热体对微波功率的吸收仅取决于其不同的损耗因数, 因水的损耗因数比干活性炭纤维大, 水因吸收的热量多而得到快速的蒸发, 避免了局部干活 性炭纤维的过热干燥和热破坏,使整个活性炭纤维再生过程受热均匀。注意点:微波再生装置一次性投资较高, 但能耗较低, 因此应在处理规模的基础上进行 技术经济综合比较后采用。3.5其他脱附再生方法其他可用于活性炭纤维再生的方法主要有有机溶剂再生、超临界萃取、湿式氧化法等。 有机溶剂再生法是利用有机物相似相溶的原理,如对于含苯环或羟基醇类有机物可采用苯、 丙酮、 甲醇等有机溶剂洗涤再生。 由于废水中污染组分复杂, 再生后有机溶剂无法循环利用, 再生过程复杂、 处

14、理费用大,目前采用的不多。超临界萃取是近年来发展的再生方法, 主要 溶剂有 CO2、乙醇等,在临界压力和温度下,对吸附饱和后的有机物进行萃取再生。该技术 目前尚不完善, 再生过程稳定性差。 湿式氧化法是采用较高的温度和压力, 利用氧气或空气 做介质, 使有机物在液态下氧化成低分子有机酸、 CO2 和水。 该方法的主要问题是再生不彻 底、设备要求高、能耗大、控制系统严格等。4. 国内外活性炭纤维发展趋势4.1国外活性炭发展趋势世界 ACF 的工业化生产已从西方转向中国等发展中国家,这种产业的转移在 21世纪中 期将持续进行。 全球范围内日渐严规使得 ACF 的需求进一步增长, 水处理行业一直是活

15、性炭 消费的巨大市场。 其它需求增长较快的领域包括气体处理市场, 美国在此领域的消费量中期 内将增长 5%。 最大的潜在活性炭应用市场是燃煤火电厂所排放气体的净化 10。 由于人们对 可能的生化恐怖袭击高度关注, 核、 细菌以及化学防护过滤器和个人防护服装对活性炭的需 求也将逐步增加。4.2国内活性炭发展趋势我国一直是美国最大的活性炭输出国, 日本是世界活性炭使用仅次于美国的国家, 位居全球第 2,日本也是我国第 1活性炭出口目的地。我国活性炭出口的 3大地区除东亚、美国 之外, 欧洲市场也是我国传统的活性炭出口目的地。 我国的活性炭发展目前有以下几个特点:生产规模大型化、 生产设备大型化和现

16、代化、 产品多样化、 节能减排常态化、 加强技术创新。 5. 活性炭纤维的应用5.1活性炭纤维在电子工业中的应用有些电子元件 , 如电阻型湿度检测元件等 , 长期工作于被污染的环境中 , 电阻值与湿 度的相关性会发生变化 , 导致测量精度下降。 若用 ACF 制作多孔吸滤罩将该元件保护起来 , 则可避免上述问题 , 从而可以保持其检测灵敏度。利用 ACF 的比表面积大 , 细孔孔径适中、 耐酸碱、 导电性能及化学稳定性好等特点 , 可 用于制造电池电极、电容器等电子产品部件。具有存储容量大、 电导率高、 在空气中使用稳定、 体积密度小、 可多次重复使用的特点。 尤其是双层电容器 , 容量是普通

17、铝电解电容器的 100 万倍 , 可用于一些小型的存贮永久性 电源。比表面积大的 ACF 还是捕集太阳光能的良好黑体 , 它的导热率大 , 容易实现光能向热 能的转换 , 而且 ACF 比金属轻得多 , 便于安装和使用。此外 , ACF 在电极材料、驻电容器 等方面也有很大的应用潜力。5.2活性炭纤维在气体处理中的应用含硫废气的排放是造成大气污染的主要原因之一 , 其中 SO2 是危害最大、数量最多的 大气污染物。 ACF 具有吸附转化 SO2 的独特性能 , 对 ACF 脱硫性能的研究已经成为科研人 员广泛关注的焦点。目前 , 具有较高的脱硫活性的 ACF 主要是由聚丙烯腈和各向同性沥青 前

18、驱体转变成纤维后再活化制备的。 ACF 对空气中的其他污染物如硫化氢、 氮的氧化物、 挥 发性有机化合物等也有很好的吸附作用。另有研究发现 , 以 ACF 为吸附材料可高品质地从 有机尾气中回收烷烃、烯烃、芳香烃、酮、醇、醛、卤代烃等有机溶剂和气体 , 尾气中有机 物的回收率达 98 %以上 11。5.3活性炭纤维在水处理中的应用ACF 用于处理生产废水的目的是 :除去 BOD 、 COD 、 TOC 、 颜色、 臭味、 油、 苯酚等 , 除 去妨碍生物处理的物质和生物难于分解的物质 , 除去汞及其他金属 , 除去放射性核素 , 制 备再循环水。ACF 对饮用水净化有特殊功能 , 载银的 ACF 具有很好的抗菌活性 , 可用来软化饮用水并 除去水中的细菌 14。用 ACF 处理饮用水中的三氯甲烷 , 在相同的条件下 , 其吸附量和有效 吸附时间是柱状活性炭的 2倍。不断开发新的原料, 生产出更多品种的 ACF ;(4制备出与其它功能材料复合的 ACF, 使其成 为多功能复合材料。 参考文献 1赵海洋,卢晗锋,姜波,朱秋莲,周瑛,黄海凤,陈银飞. 挥发性有机物在活性炭纤维上的吸 附和电致热脱附J. 中国环境科学,2016,07:1981-1987. 2郭宏山. 炼油废水活性炭纤维快速脱附