活性炭纤维在环境保护中的应用及前景

第２卷第４期　环境污染治理技术与设备　Ｖｏｌ　２．Ｎｏ　４　２　０　０　１罕８月Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ￣４ｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａ］Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａ　．，　

活性炭纤维在环境保护中的　应用及前景‘　

吴军良　尹华强　刘勇军　楚英豪　邹长武　（四川大学环境科学与工程学院，成都６１００６５）　

摘要本文介绍了一种新型环境：咖鹈材料——活性炭纤维在环境保护中的应用现状及前景。通　过与以颗粒括性炭为代表的传统碳材料在结构、性能方面的对比，概述了活性炭纤维优良的吸附、催化　氧化等特性。然后全面介绍了括性炭纤维在气体处理、水处理、劳动防护、环境监测及清洁生产等方面　的应用。同时结台目前活性炭纤维的研究开发现状，分析了制约其发展的因素，提出了相应的对策．井　指出了发展方向。　关键词活性炭纤维吸附催化氧化　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　

Ｗｕ　Ｊｕｎｌｉａｎｇ　Ｙｉｎ　Ｈｕａｑｉａｎｇ　Ｌｉｕ　Ｙｏｎｇｊｕｎ　Ｃｈｕ　Ｙｉｎｇｈａｏ　Ｚｏｕ　Ｃｂａｎｇｗｕ　／Ｃｄｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｌ　Ｓｃｉｅｎ￣ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｉｃｈｕｅａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００６５）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｔｒａｓｔｓ　ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ——ａｃｄｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ（ＡＣＦ）ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ｃｏｒｎｌ￣ｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｇｒａｎｕｌｅ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　（ＧＡＣ），ｉｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＣＦ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｇａｓ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｌａｂｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉＩ￣ｇ　ｉＳ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ．ａｃｅｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒ＆Ｄ　ｏｆ　ＡＣＦ，ｓｏｍｅ　ＷＯｒｋ　ｉｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ，　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｒｅｓｔｒｉｅｔｉＩ￣ｇ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＡＣＦ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ　ａｃｔｉｖａｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｃａｔａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ　

引　言　活性炭纤维（ａｃｆｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｌｅｒ，Ａ０　）　是随着碳纤维工业发展起来的一种新型碳材　料。２０世纪６Ｏ年代初在高性能碳纤维基础　上，研制出了活性炭纤维。２Ｏ世纪７ｆ）年代，　活性炭纤维逐渐开始工业化生产。　在环保领域应用的碳材料先后出现过　活性炭粉末（ＰＡＣ）、颗粒活性炭（ＧＡＣ）以及　将活性炭粒子热熔或粘附在玻璃纤维或有　＋本文由国家自然科学基盒资助　机纤维上的纤维活性炭（ＦＡＣ）。与传统的　ＧＡＣ、ＰＡＣ、ＦＡＣ不同，活性炭纤维（ＡＣＦ）　是由有机纤维经炭化、活化而得到。根据生　产中前驱体的不同，ＡＣＦ主要分为粘胶基　ＡＣＦ、酚醛基ＡＣＦ、聚丙烯晴基ＡＣＦ（Ｐ．ＡＮ　ＡＣＦ）、沥青基ＡＣＦ（ｐｉｔｃｈ—ＡＣＦ），此外，　还有聚乙烯醇基ＡＣＦ、木质素ＡＣＦ等等　日本是ＡＣＦ第一大生产国。美国、俄罗斯　等国活性炭纤维工业有相当规模。我国的　活性炭纤维工业起步不久，生产规模较小　

维普资讯 http://www.cqvip.com 环境污染治理技术与设备　２卷　ＡＣＦ与ＧＡＣ、ＰＡＣ、ＦＡＣ等传统碳材料相　比，有其独特的结构和性能，因而在环保领　域有广泛的应用前景。　

２　ＡＣＦ的结构与性能　２．１　ＡＣＦ的结构与组成　ＡＣＦ和ＧＡＣ在表面形态、孔结构方面　存在很大差异，这可以由ＧＡＣ与ＡＣＦ的结、　构模型来说明［　。　

纤维轴　ＡｃＦ结构模型　

图１　ＧＡＣ与ＡＣＦ的结构模型　

ＡＣＦ中经活化生成的空隙中９０％以上　为微　Ｌ，这就为ＡＣＥ提供了巨大的比表面　积，且微　Ｌ　Ｌ径绝大部分相近，在零点几纳　米至几纳米范围内。颗粒活性炭则还有大　量的大　Ｌ、过渡　Ｌ，孔径呈分散型分布。表　１是几种ＡＣＦ与ＧＡＣ形态特性方面的对　比。　ＡＣＦ中碳含量＞９Ｏ％，其余有少量的　氢和氧，ＰＡＮ—ＡＣＦ中含有一定量氨元素。　通常活性炭混有较多的无机杂质，灰分含量　高。　ＡＣＦ的表面有一系列活性官能团，主　要是含氧官能团。如羟基、羧基、羰基、内酯　基等。有的ＡＣＦ还含有胺基、亚胺基及巯　基等官能团。ＡＣＦ的官能团对其性质有明　显的影响［２１。　ＧＡＣ和两种ＡＣＦ的表面官能团的分　析结果列于表２。　２．２　ＡＣＦ的性质　２．２．１吸附特性　（１）吸附容量大。ＡＣＦ的吸附作用一直　是人们研究和应用的热点，各种污染物在活　性炭纤维表面以多段微孔填充的方式迅速、　稳定地聚集于ＡＣＦ微孔内［　·　。活性炭纤维　具有发达的微孔结构，因而吸附量大。活性　

维普资讯 http://www.cqvip.com ４期　吴军良等：活性炭纤维在环境保护中的应用及前景　６７　炭纤维与颗粒活性炭对有机蒸气的吸附量　见表３　。对无机气体、溶液中的化合物、　金属离子等均有很好的吸附能力。　

表３对有机物质的平衡吸附量　（在２０＂（２饱和蒸气压下的吸附量）　

（２）吸附脱附速度快。ＡＣＦ表面主要　是孔径分布集中的微孔，吸附质无须像活性　炭一样经长距离的大孔、过渡孔到达微孔，　粒内扩散阻力小，因而吸附速度快，对气体　的吸附一般能在数十秒或几分钟达到平衡。　对液体的吸附也仅需几十分钟。如对Ｉ２的　吸附，ＡＣＦ比ＧＡＣ快２—３个数量级。同　样，解吸路径短，脱附速度也快。在一定温　度与时间下，ＡＣＦ可完全解吸　ＧＡＣ再生　性能不佳　

（３）对低浓度物质的吸附能力特别优　良。在表面吸附中，孔径越小，吸附力场越　大。对低浓度的吸附能力特别优良，即使衡　量级吸附质仍保持很高的吸附率，而ＧＡＣ　往往在低浓度时吸附能力大大降低。活性　炭在甲苯浓度低于０．０１％时基本失去吸附　能力，而ＡＣＦ在０．００１％浓度下仍达到较　好效果＿１Ｊ　

甲苯浓度（％）　图２　ＡＣＦ与ＧＡＣ吸附甲苯　

２．２．２氧化还原反催化特性　活性炭纤维的氧化还原性能在其从溶　液中吸附金属离子时表现最为明显。活性　炭纤维的氧化还原特性是由一系列电极电　位不同的表面活性基团引起的，活性炭纤维　可以作为还原剂，也可用作氧化剂，这取决　于所用体系的电位高低。参与反应的基团　种类和浓度不同，ＡＣＦ氧化还原容量也不　同　

维普资讯 http://www.cqvip.com 环境污染治理技术与设备　２卷　活性炭纤维具有气相催化氧化还原功　能。通过用　ＳＯ４活化ＡＣＦ，使其表面有　催化能力，可以在Ｎ　存在下把ＮＯ还原　成Ｎ２［　。　２．２　３其他特性　ＡＣＦ还兼有纤维的各种特性，能制成　纤维束、纸、布、毡等形状，且性能良好。例　如，括性炭纤维纸比表面积可保持在原　ＡＣＦ的７５％左右＿５　Ｊ，这样方便了工程应用　和工艺简化。另外，很容易在ＡＣＦ巨大的　表面积上添加金属、盐类，或者改变活化工　艺，可以得到针对特定的ＡＣＩ￣＂产品，用途大　大拓宽。　３　活性炭纤维在环保领域的应用　现状　由于ＡＣＦ具有优良的吸附、催化等特　性。大的区分是前者用作吸附剂，后者用作　催化剂，但是深入来看，用作催化剂或催化　剂载体时吸附性都起着重要作用。在用做　吸附剂时，很多场合是增加吸附以外的机能　才能提高效果。在应用中，除吸附性、催化　性以外，还有物质向微孔内的积聚稳定性和　碳本身的反应性等具有重要作用的特性。　与颗粒活性炭相比表现在它对痕量物质的　处理，有一定强度，克服了ＧＡＣ、ＰＡＣ在操　作过程中易形成沟流和沉降等问题，且无二　次污染。ＡＣＦ正起着替代颗粒和粉末活性　炭在治理、净化环境等广阔范围的作用，并　作为一种基础性材料受到关注。　３．１在气体处理方面的应用　ＳＣｈ荇染是我国急需解决的环境问题，　在纷繁复杂的治理技术中，ＡＣＦ脱硫因其　处理效果好，投资运行费用低，实现“资源　化”，ＡＣＦ可再生利用等优点而引人注目。　四川大学环境学院对此进行了研究，实验表　明，ＡＣＦ对烟气中ＳＣｈ有稳定的催化转化　效果　ｓ　被吸附在表面的含氧基团活性　中心上，降低了ｓ　转化为ｓＯ３的活化能，　反应产物为硫酸。研制的滴流床反应器可　连续操作。　目前工业应用以吸附为主，可处理含　％、ＮＨ３，（与，ＮＯ　ＮＯｚ，　Ｓ　ＣＯ、ｃｏ２、ＨＦ　ｓ　以及各种有机蒸气的废气。不同处理　对象应选用不同类型的ＡＣＦ，且随着比表　面积增大，吸附容量一般也增大。值得提及　的是聚丙烯晴基ＡＣＦ中含有氮而具有与众　不同的性质，例如对乙硫醇的吸附相应于其　氮含量＿６　Ｊ。关于ＡＣＦ吸附有机气体，把每　种同族化合物都归纳在一起，并用吸附等　温线表示，对于数据不详的物质可以有效地　预测ＡＣＦ的吸附能力。基于以上特点，　ＡＣＦ废气处理装置不易产生漏吸现象，结　构上仅需一次操作即可达到处理效果。实　现设备、工艺的简洁化。　空气污染日益严重，装填ＡＣＦ的空气　净化器可用于室内空气净化或换气及脱除　烟臭。已有家用、车用ＡｃＦ净化器出售。　香烟不完全燃烧的“副烟流”中产生大量的　致癌物质，周围的人吸人的烟量是吸烟者的　３—１３０倍之多＿５　Ｊ　ＰＡＮ基ＡＣＦ对香烟臭　味的去除性能优异。　随着现代办公设备（如复印机）的普及，　工作过程中产生Ｑ的危害为大众所了解。　空气中　浓度为（８Ｏ一１ｏｏ）×１０　时，长　期接触会引起肺炎。可配置有ＡｃＦ的吸附　分解部件。同样，ＰＡＮ基ＡＣＦ因含有Ｎ而　对　有强的吸附分解能力　Ｊ。　

表４活性炭纤维对　的吸附分解能力　

ＡＣＦ再生过程因处理工艺而异，一般　

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