1活性炭纖維概述

活性炭纖維(ACF)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一種吸附性能優(yōu)于活性炭的功能性炭纖維?；钚蕴坷w維是纖維炭化過(guò)程中形成的一種中間相，具有很高的抗拉伸強(qiáng)度和彈性。它的前體為聚合纖維（聚丙烯腈；酚醛樹脂；聚二乙烯）、纖維素和瀝青(煤焦瀝青、石油瀝青)?；钚蕴坷w維具有很高的比表面積，比表面積（BET）一般為1000m²/g-2000 m²/g。具有顆粒活性炭（GAC）、粉末活性炭（PAC）不具有的*優(yōu)點(diǎn)?？讖椒植颊揖鶆?，其孔型為狹縫型，與吸附質(zhì)相互作用強(qiáng)；孔徑小而均勻，其細(xì)口直徑為單峰型分布，吸附脫附速率快，具有較好的導(dǎo)電性和耐熱性的石墨化特征。彈性好、強(qiáng)度高，具有很好的加工性能，在形態(tài)和形式上有很好的可塑性，可加工成氈、布、網(wǎng)、片以及蜂窩狀、波紋狀等多種形態(tài)。

活性炭纖維主要由C、H、O三種元素組成,。不同前驅(qū)體的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了活性炭纖維的基本性能?；钚蕴坷w維作為一種吸附分離功能性材料，在空氣凈化、有機(jī)廢氣處理、防毒面具、制作化學(xué)*、汽車尾氣處理、氣體儲(chǔ)存以及印染廢水處理、水的凈化等范疇內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，合理利用資源，促進(jìn)社會(huì)科學(xué)發(fā)展有著重要的作用。

2活性炭纖維概況2.1國(guó)內(nèi)活性炭纖維的發(fā)展概況

目前我國(guó)活性炭纖維及其產(chǎn)品還處于研制、開發(fā)的發(fā)展和試驗(yàn)階段，和日本、美國(guó)、俄羅斯等已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化和實(shí)用階段的國(guó)家相比產(chǎn)品性能有待提高，沒有形成成熟而獨(dú)立的工業(yè)體系。國(guó)內(nèi)對(duì)活性炭纖維進(jìn)行大量研究的機(jī)構(gòu)有中科院山西煤炭化學(xué)研究所、上海紡織科學(xué)研究院。上海紡織科學(xué)研究院首先成功的開發(fā)了酚醛基活性炭纖維，之后開發(fā)了粘膠基活性炭纖維。中科院山西煤炭化學(xué)研究所主要研發(fā)了粘膠基和瀝青基活性炭纖維。國(guó)內(nèi)的一些高等院校也在進(jìn)行著活性炭纖維的研究工作，如中山大學(xué)、東華大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京化工大學(xué)等。其中中山大學(xué)曾漢民做了大量關(guān)于活性炭纖維的研究工作。尤以天然植物為前驅(qū)體的活性炭纖維的制備為重點(diǎn)，如甘蔗渣、棉粘膠、劍麻等。并*提出來(lái)活性炭纖維表面的氧化還原性質(zhì)，應(yīng)用在吸附重金屬上。北京化工大學(xué)沈曾民對(duì)瀝青基活性炭纖維進(jìn)行了研制，并對(duì)活性炭纖維工藝過(guò)程的廉價(jià)化、高效化和成孔機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。中科院山西煤炭化學(xué)研究所楊全紅、鄭經(jīng)堂等人對(duì)高比表面積活性炭纖維吸附機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。就國(guó)內(nèi)活性炭纖維工業(yè)來(lái)看，活性炭纖維的研究還處于研究和適用階段。工業(yè)化程度不高、沒有真正形成獨(dú)立的工業(yè)體系。

2.2國(guó)外活性炭纖維的發(fā)展概況

國(guó)外對(duì)于活性炭纖維的研究早已成熟，并已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。日本在活性炭纖維的研究處于*地位?；钚蕴坷w維的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程。1962年美國(guó)W.F.Abbott成功開發(fā)出粘膠基活性炭纖維，該活性炭纖維原料低廉、制成品比表面積大、吸附性能好，但產(chǎn)品收率低、強(qiáng)度低、生產(chǎn)工藝復(fù)雜。70年代初日本東洋紡公司也成功開發(fā)出以粘膠纖維為原料的活性炭纖維，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。70年代初美國(guó)成功研制出酚醛基活性炭纖維。該活性炭纖維原料低廉、耐熱、不需要進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)品收率高、比表面積大、活性炭纖維結(jié)構(gòu)中含有S、N化合物、有催化作用、吸附性能好、工藝簡(jiǎn)單成熟，但比表面積小、成本高。1985年大阪煤氣公司與尤尼吉卡公司聯(lián)合開發(fā)的瀝青基活性炭纖維。該活性炭纖維原料低廉、產(chǎn)品收率高，但雜質(zhì)含量高、不易制得、深加工困難、強(qiáng)度低。隨著各個(gè)國(guó)家研究的不斷深入，不同原料基的活性炭纖維相繼開發(fā)成功。目前，不斷完善工藝、降低成本、提高產(chǎn)品性能、增加品種、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域是活性炭纖維今后的發(fā)展方向。

3活性炭纖維的主要結(jié)構(gòu)、性能及指標(biāo)3.1孔結(jié)構(gòu)的分類 

孔的大小及其分布、孔形狀、孔體積和比表面積是孔結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。根據(jù)IUPAC分類法，可將活性炭纖維的孔分為：超微孔＜7nm；亞微孔0.7-2nm；中孔2-50nm；大孔，孔徑＞50nm。盡管如此，活性炭纖維在制造的過(guò)程中，各種尺寸的孔會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，只是比例不同。目前市場(chǎng)上常見的是微孔活性炭纖維，微孔含量高達(dá)92%以上。在閱讀文獻(xiàn)的過(guò)程中，對(duì)于中孔活性炭纖維的中孔含量一般為20%-60%，目前還沒有關(guān)于中孔活性炭纖維的中孔含量特別高的報(bào)道。更沒有大孔活性炭纖維的報(bào)道。

3.2孔結(jié)構(gòu)表征方法 

孔結(jié)構(gòu)表征方法可分直接法和間接法兩類。直接法包括隧道掃描顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM)。間接法有分子探針、X射線小角散射、中子散射和吸附法。其中吸附法是較常用的表征方法，是用低溫（77K）氮吸附等溫線及相關(guān)理論來(lái)表征活性炭纖維的孔結(jié)構(gòu)。其原理是依據(jù)吸附質(zhì)（氣體）低壓下在多孔固體表面形成單層吸附，隨著壓力的不斷增加逐漸產(chǎn)生多層吸附乃至氣體的凝聚。因此，在已知吸附質(zhì)分子尺寸的前提下，可利用單層吸附量來(lái)計(jì)算多孔碳的比表面積，如BET法、Langmuir法等。也可利用吸附質(zhì)凝聚（填充）吸附的量，計(jì)算相應(yīng)的孔體積，如t法、DR法等。利用低溫吸附等溫線，還可推到活性炭纖維的孔大小及分布，如MP法、BJH法、DA法、H-K法、DFT法。還可用Wash-bun提出的并經(jīng)Ritter完善的壓泵法測(cè)定大孔，用Cranston-Inkley法測(cè)中孔，用Dubinbin法測(cè)微孔和超微孔，用DeBoer法測(cè)總比表面積、外比表面積和內(nèi)比表面積。

4活性炭纖維在氣體吸附領(lǐng)域的應(yīng)用研究4.1在有機(jī)廢氣處理中的應(yīng)用研究 

國(guó)外在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)將活性炭纖維廣泛的應(yīng)用于各種有機(jī)廢氣的回收與凈化。如美國(guó)早將活性炭纖維應(yīng)用在回收凈化噴漆生產(chǎn)過(guò)程中排放出的有機(jī)廢氣。日本90年代初也將其用在回收氟碳物氣體和其它有機(jī)廢氣。我國(guó)對(duì)于活性炭纖維的有機(jī)廢氣的回收與凈化主要集中在石油化工行業(yè)、噴漆行業(yè)、膠片行業(yè)和印刷行業(yè)。在石油化工行業(yè)，從有機(jī)尾氣或廢氣中回收有機(jī)溶劑和有機(jī)氣體，如苯類、烴、烯烴、芳香烴、二氯甲烷、二氯乙烷、氯乙烯、環(huán)己烷、酮、醇、醛等，尾氣中有機(jī)物的回收率高達(dá)98%以上等。在噴漆行業(yè)，回收凈化噴漆生產(chǎn)過(guò)程中排放出的大量的苯等有機(jī)廢氣。在涂裝行業(yè)，回收凈化生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含乙酸丁酯廢氣。在膠片行業(yè)，回收凈化感光膠片生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氯甲烷廢氣。在印刷行業(yè)，回收凈化油墨印刷過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，如丁醇、乙酸乙酯和乙酸丁酯等有機(jī)廢氣。

4.2在去除H₂S中的應(yīng)用研究 

H₂S是具有較強(qiáng)還原性的酸性氣體。在常溫下，PAN-ACF微孔表面的官能團(tuán)與S元素形成電子轉(zhuǎn)移體系，化學(xué)轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在微孔中，當(dāng)入口氣中沒有O₂時(shí)，反應(yīng)中心是碳骨架上的吡咯碳，如果加入O₂，ACF吸附H₂S的性能提高，這時(shí)不但生成高價(jià)硫，還引發(fā)低價(jià)硫的生成。提高溫度可促進(jìn)上述氧化過(guò)程，提高其動(dòng)態(tài)吸附能力。Bouzaza等研究了O₂、 CO₂和相對(duì)濕度對(duì)H₂S吸附的影響，并提出了化學(xué)反應(yīng)步驟是ACF吸附H₂S的速度控制步驟。Fumimsky等認(rèn)為在有水的情況下吸附H₂S效果好的原因主要是:含氧基團(tuán)和O₂對(duì)H₂S的氧化導(dǎo)致硫酸和OH·和O₂^·-兩種自由基的生成，這些自由基和H₂S作用加快了氧化反應(yīng)的速度。Primavera等認(rèn)為ACF本身的吸附活性對(duì)提高吸咐性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生成物的自催化作用。所以水的存在可以溶解生成物，減少生成物對(duì)ACF孔道的堵塞，從而提高ACF的吸附性能。

4.2在去除H₂S中的應(yīng)用研究 

含硫廢氣的排放是造成大氣污染的主要原因之一。SO₂是危害大、數(shù)量多的污染物。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于活性炭纖維吸附脫除SO₂進(jìn)行了大量的研究。在活性炭纖維前驅(qū)體方面，進(jìn)行了瀝青基活性炭纖維、聚丙烯腈基活性炭纖維和粘膠基活性炭纖維等不同前驅(qū)體活性炭纖維吸附性能的研究；在活性炭纖維物理性能方面，進(jìn)行了比表面積、孔結(jié)構(gòu)、孔徑及其分布對(duì)SO₂吸附性能影響的研究；在實(shí)驗(yàn)方法方面，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)吸附和靜態(tài)吸附的研究。張彬等研究了不同孔徑結(jié)構(gòu)的瀝青基活性炭纖維對(duì)SO₂氣體的吸附性能。研究結(jié)果表明:瀝青基活性炭纖維的孔徑結(jié)構(gòu)相比于比表面積和微孔容量對(duì)SO₂氣體的吸附性能影響更大，活性炭纖維的平均微孔徑為0.7nm左右時(shí)，對(duì)SO₂的吸附性能，常溫常壓條件下，活性炭纖維動(dòng)態(tài)SO₂大吸附量達(dá)到20. 37mg/g。Vivckanand G等研究了粘膠基纖維和酚醛樹脂纖維兩種前驅(qū)體分別采用水蒸汽和CO₂活化法制備活性炭纖維及其對(duì)SO₂氣體的吸附性能。研究結(jié)果表明:兩種前驅(qū)體纖維采用水蒸汽活化法制備的活性炭纖維所含含氧官能團(tuán)量(-OH,-COOH,C=O等)均多于CO₂活化法制備的活性炭纖維，活性炭纖維的SO₂吸附量隨表面含氧官能團(tuán)量增加而下降。另外，在相同條件下，粘膠基活性炭纖維脫除SO₂性能優(yōu)于酚醛樹脂基活性炭纖維。

5結(jié)語(yǔ)與展望

本文綜述了國(guó)內(nèi)外活性炭纖維的發(fā)展概況并對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能及指標(biāo)進(jìn)行了基本的概括。闡述了活性炭纖維在氣體吸附領(lǐng)域的研究進(jìn)展。目前降低活性炭纖維的生產(chǎn)成本，優(yōu)化活性炭纖維的生產(chǎn)工藝，改善活性炭纖維的吸附性能及使用壽命，是目前科研人員研究的重點(diǎn)。上也正在研發(fā)含有豐富孔徑分布的中孔或大孔的活性炭纖維和具有高比表面積的活性炭纖維以適應(yīng)不同場(chǎng)所對(duì)活性炭纖維的需求。當(dāng)前探索活性炭纖維的處理途徑，改變活性炭纖維的孔徑分布以及表面化學(xué)基團(tuán)分布。拓寬活性炭纖維的使用領(lǐng)域，完善活性炭纖維吸附設(shè)備的成套性能，是活性炭纖維的發(fā)展趨勢(shì)。