第27卷 第6期2006年6月
文章编号:0253-9721(2006)06-0100-04
纺 织 学 报
JournalofTextileResearchVol.27 No.6Jun. 2006
国内活性炭纤维的应用研究与开发
李永贵,赵苗,梁继选
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(11江南大学纺织服装学院,江苏无锡 214122;21宿州市碳纤维厂,安徽宿州 234103)
摘 要 活性炭纤维(ACF)由于具有优异吸附性能和使用价值成为研究热点。但是,它在我国生产规模小、实际应用少。为了进一步深入研究,促进其推广应用,对近年来ACF的研发应用进展做了综述,并分析了阻碍其发展的原因。分析表明,规模小、生产和使用成本高、研究深度和实践应用不够,严重阻碍了ACF的推广应用。今后应该重点研究ACF的再生技术,扩大应用研究和实践领域,提高性价比,从而推广其应用。关键词 活性炭纤维;应用;进展
中图分类号:TQ342 文献标识码:A
DevelopmentandapplicationoftheactivatedcarbonfiberinChina
LIYong-gui,ZHAOMiao,LIANGJ-ixuan
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(11SchoolofTextile&Garment,SouthernYangtzeUniversity,Wuxi,Jiangsu 214122,China;
21SuzhouCarbonFiberFactory,Suzhou,Anhui 234103,China)
Abstract Becauseofitsexcellentabsorptioncapacityandapplicationvalue,theactivatedcarbonfiber(ACF)hasbecomeahottopicbeingstudied.However,itsproductionscaleissmallandpracticalapplicationislimitedinChina.Forthepurposeoffurtherresearchandpromotingitsuse,itsdevelopmentandapplicationinrecentyearswasreviewed,andthecausethathindersitsdevelopmentwasanalyzed.ItwasshowedthatfactorsseriouslyimpedingtheapplicationofACFincludesmallproductionscale,highcostofproductionandapplication,andinadequacyinresearchdepthandapplicationpromotion.ItissuggestedthattheregeneratingtechnologyofACFbethekeyforresearch,appliedstudybestrengthened,andtheperformance-priceratioenhanced,soastopromoteitsapplication.
Keywords activatedcarbonfiber;application;progress 活性炭纤维(ACF)作为一种新型高效吸附材料与传统的吸附剂活性炭(GAC)相比具有更加优异的吸附性能和使用价值。国内很多院所和企业对其进行了深入广泛的研究。但是,目前我国ACF的生产规模小,实际推广应用少。本文通过分析近年来国内ACF的研究进展和发展缓慢的原因,找出今后重点研究的方向,促进我国ACF的发展。
结构,测定了在不同条件下制备的ACF含氧官能团的数量。文献[2]采用热重分析法(TGA)分析了磷酸、磷酸铵和硫酸铵对粘胶纤维的热分解促进作用,提出用峰高与半高宽之比表征热分解峰的形态。该值越低,反应越缓和,越有利于提高炭化、活化得率。文献[3]通过元素分析(EA)、X-射线衍射(XRD)、XPS、差热分析(DTA)等方法,证明不同比表面积的聚丙烯腈基ACF(PAN-ACF)具有不同的表面微结构。文献[4]研究表明,1173K高温处理后的沥青基ACF的微孔孔径更加集中于015~110nm,大于110nm的微孔明显减少,类石墨微晶结构和部分官能团发生变化。
上述基础理论的研究有助于合理控制生产工
1 研究现状
111 基础理论研究
文献[1]采用傅里叶变换红外光谱法和X射线光电子光谱测定法(XPS)研究了粘胶基ACF的表面
收稿日期:2005-08-11 修回日期:2005-11-25
作者简介:李永贵(1972-),男,讲师,博士生。主要研究领域为新型纤维材料开发与应用。
第6期李永贵等:国内活性炭纤维的应用研究与开发
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艺,制造不同比表面积及结构特性的ACF。但国内关于此方面的研究还很少,与发达国家对基础研究的重视程度相比还是有差距的。
纯菌液挂膜3种方法中,最佳的ACF微生物固定方式是纯菌液固定
[16]
。采用生物ACF处理的水质可
112 生产技术
近年来ACF的生产工艺已基本成熟,但ACF价
格高,严重阻碍了其推广应用。因此,进一步改进生产工艺,提高生产效率和降低生产成本仍是该领域的重要课题。
用特种聚丙烯腈纤维与粘胶纤维混纺制备针刺非织造布,经预氧化、炭化、活化制备PAN-ACF毡。该法有望突破PAN-ACF生产效率低,尤其是大丝束预氧化成本高的瓶颈,并使最终产品综合性能得到提高。利用静电技术制成的ACF静电植绒制品保持了优良的吸脱性能,有效地解决了ACF
[7]
加工性能差的问题。
[5,6]
达饮用水标准。在处理容量和处理效果上均显著优于生物活性炭与ACF,显示了此项新技术在水的深度处理领域里的应用潜力
[17]
。
114 新品种开发
一般ACF属于微孔型,不能吸附大分子物质,使其应用受到。近年来采用一些特殊方法也只能获得中孔型。文献[19]采用高膨润度值的粘胶纤维,制得了表面具有大孔分布的ACF。其大孔孔径主要分布在50~200nm之间。
[18]
115 改 性
ACF具有吸附选择性,这和其孔结构与表面官能团有关,国内一些学者对ACF进行了改性,以期提高其吸附性能。如经酸改性后ACF对苯、氨类吸附性能有所提高
[22]
[20]
113 再生技术
ACF生产成本高是导致其价格高的主要原因,但通过改进生产工艺来降低成本似乎已近极限。因此,改进再生技术,延长使用寿命,弥补价格高的缺
点,是行之有效的方法。尤其是光催化、生物和电热再生技术引起国内外学者的关注。
光催化技术是ACF上吸附有光催化分解剂,在光照和该催化剂的作用下,吸附在ACF上的有机物能够被催化分解。吸附和分解是同时进行的,因此,ACF可连续使用,无需专门再生。ACF同时起到吸附剂和催化剂载体的作用。主要制备方法:采用分子吸附沉降法或溶胶凝胶法将TiO2颗粒附着在ACF上
[8,9]
。负载铜离子能明显改善ACF
[21]
对NOx的吸附效果。氟化ACF对氙气的吸附量
有所增加。ACF经远程氮等离子体改性后,增强
[23]
了对碱性染料结晶紫的吸附能力。
2 应 用
ACF可广泛用于环保、化工、医疗等领域,但由于价格等原因,在我国的实际应用并不多。目前,国内的应用研究主要集中于以下几个方面。
211 有机溶剂回收
采用ACF回收有机溶剂及其再生相对容易,因此,近年来,在该领域的应用进入实用化阶段。
宇清化工环保产业发展中心采用ACF从有机尾气中回收有机溶剂,回收率达98%以上,具有ACF用量少,占地小,全自动运行,吸脱速度快,耗能低,投资回收期短,环境效益显著等优点
[24]
。TiO2在太阳光照下具有降解活性,尤其
是在紫外光照射下对亚甲基蓝、甲醛起到良好的吸
[10,11]
附光催化氧化作用,对聚乙烯醇等不能加热再生的大分子具有高效的光催化分解能力
[12]
。将载
银二氧化钛沉积在ACF表面,ACF的微孔结构和吸
[13]
附性能基本不变,但抗菌性可大大提高。
生物ACF将ACF的吸附功能与微生物对细菌、有机物等生物降解功能联用,使生物ACF具有自动再生功能。何振坤等人研究了以ACF作为细胞固着化载体及载体表面特性对生物膜活性、菌液中微生物活性与增殖的影响。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;改善ACF表面的吸附特性有益于微生物固着及挂膜;增加ACF比表面积有利于提高其表面微生
[14,15]
物的活性。在自然挂膜、活性污泥上清液挂膜、。该吸
附装置于2003年在中国石化荆门分公司酮苯脱蜡
装置中使用,对安全气中丁酮、甲苯的回收率在98%以上
[25]
。
天津化工厂采用河北中环环保设备公司的ACF吸附回收氯乙烯系统,收到良好的经济和环境效[26]
益。河北沧州大化集团在双氧水装置的氧化尾气处理中采用ACF吸附净化技术,对含有机物的废气实现全自动连续净化和有机溶剂回收。杭州凯明环保设备公司开发的KYE型有机废气净化装[27]
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置采用了ACF作为吸附剂。
纺织学报
工严重不足,甚至有些已经停产
[43]
第27卷
。
212 空气净化与烟气脱硫
含硫废气的传统处理方法投资大、回收率低甚至造成二次污染。采用ACF对烟气脱硫,其吸附容量是GAC的16倍,损耗率仅为GAC的1P12,脱附效
[28]
率可达9919%,能够减少设备投资和生产成本。ACF对SO2的吸附是以化学吸附转化为硫酸为主的反应,ACF起吸附剂兼催化剂的作用。采用真空脱吸)水洗)真空脱吸来再生ACF具有能耗低、再生
[29]
彻底、无污染的优点。
我国生产的ACF主要出口到日本、韩国和欧美等国家和地区,国内的消耗量很小。
4 结束语
总的来说,近几年我国ACF的研究和工业化生
产获得了很大的进展。但是还应侧重进行以下几方面的研究。
1)ACF的再生技术,尤其是生物、光催化和电热再生技术的研究。若能使ACF的再生工艺简单、损耗低、能耗小,就可以弥补ACF价格高的缺点。尤其是生物和光催化再生技术,能够连续使用,具有广阔的发展前景。
2)生产技术的研究。在保证产品质量的前提下,降低生产成本,尤其要提高生产效率。
3)扩大应用研究与实践领域。扩大ACF使用范围,增大使用量,从而扩大ACF生产规模,使用规模效应来降低价格,促进其推广应用,形成良性循环。
如果ACF的生产和应用技术取得突破,价格降到合理水平,能够取代GAC,前景将非常广阔。
FZXB
213 水处理
一般情况下,工业和生活废水的成分比较复杂。因此,ACF主要用于废水的高级处理。
利用ACF和电动力学作用协同处理饮用水,能够有效提高ACF对水中污染物的去除效率。ACF对不同种类的水溶性染料具有良好的吸附能力,适用于印染废水的高级处理
[31]
[30]
。采用ACF物理
吸附和电解氧化分解可以有效去除化工废水中的酚
[32,33]
类污染物质。另外,含有有机磷农药的废水也可用ACF净化
[34]
。
214 其 它
用ACF制作的防护口罩已进入实用化阶段
[35]
。
参考文献:
[1] HuangQiang,HuangYong-qiu,PanDing.Astudyonthe
surfacestructuresofviscose-basedactivatedcarbonfiberby
FT-IRspectro-scopyandXPS[J].JournalofDonghuaUniversity,2004,21(1):57-62.
[2] ZengFan-long,PanDing.Catalyticpyrolysesofrayonand
theeffectonactivatedcarbonfiber[J].JournalofDonghuaUniversity,2004,21(2):1-5.
[3] 吴明铂,查庆芳,邱介山,等.PAN活性炭纤维表面结
构PAN[J].大连理工大学学报,2003,43(5):591-594.
[4] 乔志军,李家俊,赵乃勤,等.高温热处理对活性炭
纤维微孔及表面性能的影响[J].新型炭材料,2004,19(1):53-56.
[5] 李永贵,陈东生,高卫东.聚丙烯腈基活性碳纤维非
织造布的研制[J].纺织学报,2002,23(2):65-66.[6] 陈东生,甘应进,张宏伟.混纺活性炭纤维针刺毡的
生产与预氧化[J].纺织学报,2005,26(6):102-104.[7] 季涛,高强,王春梅.活性碳纤维静电植绒技术与产
品应用研究[J].纺织学报,2004,25(5):109-111.[8] FuPingfeng,LuanYong,DaiXuegang.Preparationof
TiO2photocatalystanchoredonactivatedcarbonfibersand
itsphoto-degradationofmethyleneblue[J].China现代医学也开始采用ACF做抗菌药物的载体,并证
[36,37]
明具有优异的卫生防护性能。
作为制备双电层电容器的电极材料,ACF明显优于活性炭
[38]
。
Kr是核裂变的重要气体产物,可以根据Kr的
239
排出总量来衡算裂变产物Pu的生产规模,同时还可以通过大气取样分析来辅助判断是否有核爆炸发生。文献[39]研究了ACF对Kr的吸附性能。ACF
[40,41]
有望用于存储天然气、氢气等,还可用于固相萃取气相色谱分析测试[42]
。
3 工业化现状
近几年,我国ACF的工业化生产发展迅速,有几十家生产企业陆续建立,规模从十几吨到几十吨不等,这些企业不仅专门生产ACF或把它作为配套延伸产品,更多的是将生产及其深加工联合进行。目前ACF的市场份额小,因此,主要是乡镇和私营中小型企业。由于各企业无序竞争,大部分厂家开第6期李永贵等:国内活性炭纤维的应用研究与开发
=103 >
Particuology,2004,2(2):76-80.
[9] 许德平,黄正宏,王永刚,等.活性炭纤维布担载纳米
TiO2的三种方法[J].炭素技术,2004,23(5):12-16.
[10] 胡将军,李英柳,彭卫华.吸附光催化氧化净化甲醛
废气的试验研究[J].化学与生物工程,2004,21(1):39-41.
[11] 侯一宁,王安,王燕.二氧化钛活性炭纤维混合材料
净化室内甲醛污染[J].四川大学学报,2004,36(4):41-44.
[12] 徐昌曦,曾凡龙,黄永秋,等.光催化再生粘胶基活性炭纤维研究[J].合成纤维工业,2003,26(6):24-26.
[13] 倪平,李静,闫亮,等.TiO2/Ag型抗菌活性碳纤维的
制备和性能表征[J].材料科学与工程学报,2004,22(6):816-819.
[14] 何振坤,王绍堂.炭纤维生物膜的形成机制-Ò炭纤维
表面特性对微生物活性与增殖的影响[J].新型炭材料,2003,18(1):43-47.
[15] 刘杰,王绍堂.炭纤维生物膜的形成机制-Ñ炭纤维表
面特性对微生物固着化的影响[J].新型炭材料,
2002,17(3):20-24.
[16] 周娟娟,胡中华.活性炭纤维的微生物固定方法研究
[J].中国给水排水,2005,21(1):45-48.[17] 李秋瑜,刘亚菲,胡中华,等.用生物活性炭纤维新技
术去除水中有机污染物[J].炭素技术,2005,24(1):16-20.
[18] 刘占莲,潘鼎.中孔活性碳纤维的研究[J].材料导报,2003,17(2):40-42,57.
[19] 钱明娟,潘鼎.大孔活性碳纤维的初探[J].化工新型材料,2004,32(6):32-36.
[20] 王春梅,高强.活性碳纤维的化学改性及其吸附性能
的研究[J].南通工学院学报(自然科学版),2003,(1):15-17.
[21] 郭世永,姚春德.改型碳纤维降低发动机NOx排放的
研究[J].青岛建筑工程学院学报,2004,25(4):72-74,84.
[22] 邓继勇,李华,邵芸,等.活性炭纤维表面氟化修饰及
吸附性能的研究[J].功能材料,2004,35(2):172-173.
[23] 李晓菁,陈杰,王志强,等.远程氮等离子体改性活
性炭纤维及其吸附性能研究[J].化工环保,2004,24(6):403-408.
[24] 刘汉杰.活性碳纤维有机尾气净化回收技术[J].环
境保护,2002,(5):12-14.[25] 饶兴鹤.荆门分公司酮苯脱蜡装置应用活性炭纤维
净化回收有机尾气[J].炼油技术与工程,2004,34
(6):4.
[26] 李守信,凌力,张文智,等.ACF用于氯乙烯回收的优
点浅析[J].聚氯乙烯,2004,(1):50-51.
[27] 辛强.蒽醌法生产双氧水氧化尾气的节能处理[J].
化工技术经济,2004,22(2):39-40,43.
[28] LiuYi,ZhangZhigang,TangQiang,etal.ApplyingACF
todesulfurizationprocessfromfluegas[J].PlasmaScience
&Technology,2004,6(4):2419-2422.
[29] 李永贵,张海泉,陈东生.活性碳纤维吸附转化SO2
的应用研究[J].产业用纺织品,2002,(4):26-29.
[30] 张锡辉,李福志,朱帅.电动力学与活性炭纤维协同
净化饮用水的研究[J].环境科学学报,2004,24(6):
9-993.
[31] 李永贵,葛明桥.活性碳纤维处理印染废水研究[J].
纺织学报,2003,24(5):68-70.
[32] 王祝敏,王红心.活性炭纤维填充床脱除水中苯酚及
填充床的再生[J].辽宁化工,2005,34(2):53-55,57.
[33] 周珊,陈传文.电Fenton法处理4-氯酚废水[J].环
境污染治理技术与设备,2004,5(10):56-59.
[34] 汤亚飞,王焰新,蔡鹤生.有机磷农药微污染水处理
研究[J].武汉化工学院学报,2004,26(2):28-30.[35] 防尘、防轻微有机气体的口罩[J].中国个体防护装
备,2005,(1):52.
[36] 柳军玺,魏小宁,杨爱梅,等.中草药吸附膜材抗菌活
性研究[J].中国现代应用药学,2005,22(1):40-44.
[37] 我国研发新型杀菌活性碳纤维[J].新材料产业,2003,(8):47.
[38] 吴海芳,胡中华.活性炭纤维制备双电层电容器[J].
炭素技术,2004,23(1):12-16.
[39] 王亚龙,张海涛,王旭辉,等.活性炭纤维在低温下对
Kr的静态吸附[J].核化学与放射化学,2004,26(4):243-245.
[40] 刘保华,赵乃勤,李家俊.用活性炭纤维吸附天然气
的研究[J].中山大学学报(自然科学版),2003,
(A19):126-129.
[41] 付正芳,赵有中,王曙中,等.碳基吸附储氢材料[J].
高科技纤维与应用,2004,29(3):41-45.
[42] 胡睿,王琳玲,陆晓华,等.固相萃取气相色谱法测
定水中的酚类污染物[J].环境科学与技术,2005,28(1):56-57,65.
[43] 曾凡龙,潘鼎.我国活性碳纤维的研究、工业化及前
景(Ò)[J].材料导报,2003,17(10):55-58.
