活性炭纖維
時間:2005-08-23
活性炭纖維（ACF），亦稱纖維狀活性炭，是性能優于活性炭的高效活性吸附材料和環保工程材料。其超過50%的碳原子位于內外表面，構筑成獨特的吸附結構，被稱為表面性固體。 它是由纖維狀前驅體，經一定的程序炭化活化而成。較發達的比表面積和較窄的孔徑分布使得它具有較快的吸附脫附速度和較大的吸附容量，且由于它可方便地加工為氈、布、紙等不同的形狀，并具有耐酸堿耐腐蝕特性，使得其一問世就得到人們廣泛的關注和深入的研究。目前已在環境保護、催化、醫藥、軍工等領域得到廣泛應用。
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，不同前驅體有機纖維及其活性炭纖維的研究和應用得到快速發展。美國、英國、前蘇聯、特別是日本，是研究和使用ACF的大國，年產量近千噸。國內的ACF研究起始于80年代末期，到90年代后期陸續出現工業化裝置。大多處于實驗室研究階段。
制造方法
前驅體原料的不同，ACF的生產工藝和產品的結構也明顯不同。ACF的生產一般是將有機前驅體纖維在低溫200 ℃～400 ℃下進行穩定化處理，隨后進行(炭化)活化。常用的活化方法主要有：用CO2或水蒸汽的物理活化法以及用ZnCI2，H3PO，H2PO4，KOH 的化學活化法，處理溫度在700 ℃～1 000 ℃間，不同的處理工藝(時間，溫度，活化劑量等)對應產品具有不同的孔隙結構和性能。用作ACF前驅體的有機纖維主要有纖維素基，PAN基，酚醛基，瀝青基，聚乙烯醇基，苯乙烯/烯烴共聚物和木質素纖維等。商業化的主要是前4種。
結構特征
活性炭纖維是一種典型的微孔炭（MPAC），被認為是“超微粒子、表面不規則的構造以及極狹小空間的組合”，直徑為10 μm～30 μm。孔隙直接開口于纖維表面，超微粒子以各種方式結合在一起，形成豐富的納米空間，形成的這些空間的大小與超微粒子處于同一個數量級，從而造就了較大的比表面積。其含有的許多不規則結構-雜環結構或含有表面官能團的微結構，具有極大的表面能，也造就了微孔相對孔壁分子共同作用形成強大的分子場，提供了一個吸附態分子物理和化學變化的高壓體系。使得吸附質到達吸附位的擴散路徑比活性炭短、驅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、吸附效率高的主要原因。
功能化方法
功能化主要通過孔隙結構控制和表面化學改性來滿足對特定物質的高效吸附轉化。
ACF通常適用于氣相和液相低分子量分子(MW=300以下)的吸附。當吸附劑微孔大小為吸附質分子臨界尺寸的兩倍左右時，吸附質較容易吸附。孔徑調整的目的就是使ACF的細孔與吸附質分子尺寸相當，通常采用下列方法：1)活化工藝或活化程度的改變（至納米級）；2)在原纖維中添加金屬化合物或其它物質經炭化活化，或采用ACF添加金屬化合物后再活化（中孔為主），原料纖維預先具有接近大孔的孔徑（大孔）；3)烴類熱解在細孔壁上沉積、高溫后處理（使孔徑變小)。
表面化學改性主要改變ACF的表面酸、堿性，引入或除去某些表面官能團。經高溫或經氫化處理可脫除表面含氧基團(還原)；通過氣相氧化和液相氧化的方法可獲得酸性表面。改性需綜合考慮物理結構與化學結構的影響。
應用
1）可有效地將工業加工生產中產生的低沸點化合物、脂肪族化合物、及其它VOCS等危害人體健康的有機溶劑（毒劑）脫除并回收（裝置質輕高效）；2）制造的凈水裝置高效可靠、處理量大、裝置緊湊；3）空氣凈化裝置具有較強的轉化臭氧能力，對3，4-苯并芘和醛類物質、硫醇類物質、氨、硫化氫等具有特殊的吸附能力，對煙堿的吸附率也很高；借助于堿洗，PAN基活性炭纖維對煙道氣中SO2具有較好的脫除能力，瀝青基活性炭纖維在經歷850 ℃高溫處理后對處理NOX效果較好；另外，ACF在儲能材料、隱身材料、核防護材料、催化劑載體、生理除味保健、防毒防化、血液凈化、人工肝臟和腎臟、水果儲存保鮮、除臭除濕、高能電極及雙層電容等方面都有著極大的開發與利用潛力。
ACF市場開發滯后導致對它的需求量的增長速率較小；而較小的生產規模又不利于打開和占領市場。但ACF價格的居高不下始終是限制其廣泛應用的主要因素。低成本、高密度、高強度的活性炭纖維應是研究開發的重點。
