活性炭纖維(完整)方.ppt

1、活性炭纖(ACF),第一小組編制,主要內(nèi)容：,一.簡(jiǎn)介活性炭纖維（ACF） 二.ACF的結(jié)構(gòu)，組成，性能 三.ACF的合成方法和原理 四.ACF的加工工藝 五.ACF的應(yīng)用情況 六.ACF深入研究方向 七.ACF的回收利用，再生途徑及發(fā)展趨勢(shì),一.活性炭纖維概述,活性炭纖維(ACF)是20世紀(jì)6070年代發(fā)展起來的一種新型高效吸附劑,它以木質(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料,經(jīng)炭化和活化制得。在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的碳材料先后出現(xiàn)過活性炭粉末(PAC)、顆?；钚蕴?GAC)以及將活性炭粒子熱熔或粘附在玻璃纖維或有機(jī)纖維上的纖維活性炭(FAC)。與傳統(tǒng)的GAC、PAC、FAC不同,活性

2、炭纖維(ACF)是由有機(jī)纖維經(jīng)炭化、活化而得到。,二、活性炭纖維的結(jié)構(gòu)及組成,活性碳纖維的纖維直徑為520m，比表面積平均在10001500m2/g左右，平均孔徑在1.04.0nm，微孔均勻分布于纖維表面。與活性炭相比，活性碳纖維微孔孔徑小而均勻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于吸附小分子物質(zhì)吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。與被吸附物的接觸面積大，且可以均勻接觸與吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細(xì)的表態(tài)，孔隙直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于有些大分子或顆粒物質(zhì)，如二惡英、粉塵等，體積已經(jīng)接近乃至大于活性碳纖

3、維微孔體積，難以被吸附，相比較活性炭更占有優(yōu)勢(shì)。,1. 活性炭纖維與顆粒狀活性炭的區(qū)別：,活性炭：活性炭含有大孔，中孔和微孔，其吸附主要為物理吸附，吸附過程一般分為3個(gè)階段：外部擴(kuò)散 、內(nèi)部擴(kuò)散、 吸附反應(yīng)。主要影響吸附速率的是前兩個(gè)階段。,活性炭纖維：大量的微孔直接開于表面。 沒有內(nèi)部擴(kuò)散階段。吸附過程只有兩步：外部擴(kuò)散、吸附反應(yīng)。沒有內(nèi)部擴(kuò)散階段。 此外，活性炭纖維的主要成分是C，但也存在微量的雜質(zhì)原子，包括O、H，此外還有N、S等。它們與C結(jié)合形成相應(yīng)的官能團(tuán)，其中以含氧基團(tuán)在活性炭纖維表面含量較為豐富。這些特征賦予炭纖維具有優(yōu)良的吸附性能：,2.傳統(tǒng)活性炭與活性炭纖維結(jié)構(gòu) 對(duì)比,3.活

4、性炭纖維的特點(diǎn),比表面積大，以微孔為主、孔徑分布均勻； 加工成型性好，可制成無紡布、布、紙、氈等； 具有較高強(qiáng)度，不易粉化，不造成二次污染； 吸附能力強(qiáng)，吸附容量大； 吸附、脫附速度快； 對(duì)低濃度物質(zhì)具有良好吸附能力，避免漏吸； 具有較強(qiáng)的氧化還原能力，可用于貴金屬回收； 含氮ACF對(duì)含硫有機(jī)物具有特殊吸附能力。,二、 ACF的結(jié)構(gòu)及性能,微孔形結(jié)構(gòu)：微孔半徑在2nm以下，其孔徑分布窄，特殊的細(xì)孔呈單分散分布，由不同尺寸的微細(xì)孔隙組成其結(jié)構(gòu)，并且中孔、小孔擴(kuò)散呈現(xiàn)出多分散型分布，在各細(xì)孔結(jié)構(gòu)中的差別較大，其主要原因在于原料的不同。 表面化學(xué)結(jié)構(gòu):炭的固體表面原子呈不飽和結(jié)構(gòu)，其具有獨(dú)特的表面化

5、學(xué)性能，其微晶在比燃燒溫度低時(shí)易于與氧化介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，主要有羧基、酚基、醌基等含氧基團(tuán)及含硫基、氮元素、鹵素等管能團(tuán)，其表面 酸性與吸附平衡有密切的關(guān)系。,二、 ACF的結(jié)構(gòu)及性能,主要性能:1)活性炭纖維（簡(jiǎn)稱./0）是一種表面超微粒子，具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和納米空間混合的體系 2) 主要發(fā)育了大量的微孔，都直接開于表面。因此，活性炭纖維具有很大的比表面積（多數(shù)在10001 500g）。此外，活性炭纖維的主要成分是C，但也存在微量的雜質(zhì)原子，包括O、H，此外還有N、S等。它們與C結(jié)合形成相應(yīng)的官能團(tuán)，其中以含氧基團(tuán)在活性炭纖維表面含量較為豐富。,1.活性炭纖維優(yōu)良的吸附性能：,吸附容

6、量大，達(dá)到吸附平衡的速率快，對(duì)有機(jī)蒸氣的吸附量比粒狀活性炭大幾倍甚至幾十倍； 吸附脫附速度快，再生容易，不易粉化； 吸附力強(qiáng)、吸附完全，特別適用于吸附去除ppm、ppb級(jí)乃至更低濃度的水中有機(jī)物； 具有氧化還原能力，可將貴金屬離子及H92+等離子還原為低價(jià)離子或金屬單質(zhì)。,ACF碳纖維和其他活性炭材料吸附能力對(duì)比,粉末活性炭（Pac）活性炭棒（CTO）顆粒活性炭（GAC）碳纖維（ACF）,三.活性炭的合成方法及原理,1.合成方法 ：目前用作活性炭纖維前驅(qū)體的有機(jī)纖維主要有粘膠基、聚丙烯睛基、瀝青基、酚醛基四種，除此之外，還有采用其他原料制成的，如聚偏二氯乙烯、聚酞亞胺纖維、PBO纖維、聚苯乙烯

7、纖維、聚乙烯醇纖維、聚氯乙烯基、PVA基等，不同的原料纖維有不同的炭化和活化特性，制成的活性炭纖維的特點(diǎn)有所不同 2.原理：活性炭纖維是經(jīng)過活化的含碳纖維，將某種含碳纖維，經(jīng)過高溫活化（不同的活化方法活化溫度不一樣），使其表面產(chǎn)生納米級(jí)的孔徑，增加比表面積，從而改變其物化特性。,四.活性炭的加工工藝,目前活性炭纖維的生產(chǎn)主要是聚丙烯腈基和瀝青基、黏膠基，其他炭纖維很少?；钚蕴坷w維生產(chǎn)加工工藝如下1)浸漬(預(yù)處理)；2)氧化工藝；3)碳化工藝；4)活化工藝，活化時(shí)盡可能多地造孔，形成多孔結(jié)構(gòu),活性炭纖維加工工藝流程圖,五.活性炭纖維應(yīng)用情況,1）廢水治理及水凈化 2）回收溶劑 3）大氣治理和空氣

8、凈化 4）應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 5）有機(jī)合成催化劑或催化劑載體,1、飲用水的凈化,ACF的微孔孔徑具有可調(diào)節(jié)性，可以針對(duì)不同的有機(jī)微污染物，選擇性的設(shè)計(jì)出具有不同吸附性能的ACF，從而能夠去除水源中的各種污染物質(zhì)。 ACF對(duì)水質(zhì)混濁有明顯的澄清作用，可以除去水中的異臭、異味；對(duì)氰、氯、氟、酚等有機(jī)化合物去除率達(dá)90以上，對(duì)細(xì)菌有極好的過濾效果，如大腸桿菌去除率達(dá)98。,ACF在凈水器中的應(yīng)用 日本酸素氧氣公司和三菱人造絲公司開發(fā)的多功能超小型凈水器，具有過濾除臭、滅菌和變硬水為軟水的功能，還可把江水、河流湖泊水直接變?yōu)轱嬘盟?東邦人造絲公司用聚丙烯腈基ACF生產(chǎn)家用凈水器，還和可樂麗公司共同開發(fā)了

9、用于水廠和糖廠的凈水裝置，可脫色、脫臭和除去有機(jī)物 沈陽和天津也已逐步使用ACF制作的小型家用凈水器。,2、工業(yè)用水處理,活性炭纖維與有機(jī)功能纖維配合，可用于循環(huán)冷卻用水及鍋爐用水的防垢、防腐處理。 功能纖維對(duì)循環(huán)水中的鈣鎂離子起到吸附、增溶的作用。循環(huán)水中該兩種離子的濃度基本穩(wěn)定在60mgL的水平上，這一方面是活性炭纖維表面含豐富的酸性官能團(tuán)，與鈣鎂離子發(fā)生離子交換的結(jié)果；另一方面，活性炭纖維在吸附或與溶解氧作用時(shí)，生成了CO2，調(diào)節(jié)了體系的酸度，增大了鈣鎂離子的溶解性。 功能纖維可以吸附水中的有機(jī)物及微生物，降低水中溶解氧濃度，抑制水中好氧生物的滋生繁殖。用活性炭纖維處理空調(diào)循環(huán)水四個(gè)月，

10、其微生物指標(biāo)遠(yuǎn)低于控制標(biāo)準(zhǔn)，且效果好，成本低，免除了定期換藥、投藥的麻煩，也減少了環(huán)境污染。 還可以調(diào)節(jié)體系的電勢(shì)差，故可有效地防止水的結(jié)垢及對(duì)體系金屬的腐蝕。,3、廢水處理,ACF較活性炭有豐富的微孔、巨大的比表面積及多種官能團(tuán)，因此有更為明顯的吸附特性，對(duì)水溶液中的無機(jī)污染物及各種復(fù)雜的有機(jī)污染物等具有較強(qiáng)的吸附能力，并且能有效去除工業(yè)廢水的顏色、氣味、油分、氯化物及苯酚等，也可以除去生物難以降解的物質(zhì)。 ACF 處理廢水主要包括： 水中無機(jī)離子、有機(jī)分子或離子、染料以及農(nóng)藥。, ACF對(duì)水中無機(jī)離子的去除,硫氰酸根和乙基磺酸根在活性炭纖維布電極上的電吸附,這兩種毒性離子都可以通過活性炭纖

11、維布電極的電 吸附從廢水中幾乎完全去除。 當(dāng)兩者共存時(shí)。硫氰酸根幾乎不被吸附，顯示出了相當(dāng)強(qiáng)的選擇吸附特性。因此，能將這兩種離子有效的分離。 利用電增強(qiáng)活性炭纖維處理含有這兩種離子的廢水可以實(shí)現(xiàn)吸附劑電吸附脫附的循環(huán)使用。,ACF在重金屬離子的去除方面的應(yīng)用,研究表明，ACF對(duì)CODCr有較好的去除效果。 動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)表明，ACF吸附Pb2+的穿透點(diǎn)為180mL，吸附終點(diǎn)為320mL，具有較好的工程應(yīng)用可行性。 實(shí)驗(yàn)過程中，ACF有良好的再生性能。吸附飽和后的ACF再生3次后，仍保持良好的吸附性能，可重復(fù)使用。, ACF去除水中有機(jī)分子或離子,ACF獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積及多種官能團(tuán)，

12、使其在有機(jī)廢水處理中的吸附特性明顯優(yōu)于活性炭。ACF適用于各種有機(jī)廢水的處理，對(duì)于化工、冶金、煉焦及輕工業(yè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的廢水及生活污水的處理有其獨(dú)特的效果，可除去由生產(chǎn)廢水流入而產(chǎn)生的異臭、異味，除去油、農(nóng)藥、余氯腐殖質(zhì)等。 研究表明，ACF對(duì)酚類廢水有較好的去除效果。,ACF對(duì)酚類廢水的去除研究,韓嚴(yán)和等研究了在電極化的條件下，對(duì)硝基苯酚在活性炭纖維上的電吸附動(dòng)力學(xué)特性，在400mV的極化電位下，對(duì)硝基苯酚的吸附量從開路時(shí)的293mmolg。1降N265 mmolg-。，其電吸附動(dòng)力學(xué)比較好的符合Lagergren-級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)。 鄭春燕等用活性炭纖維作為陽極材料，采用電化學(xué)氧化法處理含酚廢水，

13、結(jié)果表明，該方法可以強(qiáng)化對(duì)苯酚的氧化分解，苯酚和ODD的去除率均能達(dá)到95以上，其最佳的操作條件為：pH值為3、進(jìn)水苯酚濃度為500ragL，電流密度為26mAc、Na2S04濃度為15gL。同時(shí)，通過對(duì)比不同電極材料的降解效果，證明使用具有高比表面積的活性炭纖維作為電極材料，能充分將其導(dǎo)電、吸附、催化及穩(wěn)定性能有效的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)高效凈化。,ACF在處理染料廢水方面也的性能。,ACF可以除去水中的亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫、臭酚藍(lán)等有機(jī)染料分子，其吸附量大，去除率高。對(duì)于不同的染料分子，ACF吸附速率差別很大。,ACF在處理染料廢水方面的研究,陳水挾等對(duì)ACF吸附染料做了大量的研究工作表明，ACF對(duì)亞

14、甲基藍(lán)的靜態(tài)吸附量達(dá)400mgg，結(jié)晶紫250mgg，二甲酚橙100mgg和對(duì)苯二胺250mgg。 另有研究表明，用ACF電極電解降解染料，脫色效果明顯，TOC去除率高。Fenyun yi用ACF電極電解降解茜素紅S(ARS)染料，ARS可有效脫 色，在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，脫色率達(dá)95，C0D的去除率超過了80，且ACF電極即時(shí)再生的同時(shí)對(duì)ARS的吸附和氧化也可持續(xù)進(jìn)行。 王愛民等實(shí)驗(yàn)研究表明，ACF作為陽極的電芬頓體系對(duì)于水中偶氮染料酸性紅B(ARB)的降解程度要顯著高于ACF作為陽極的陽極氧化體系，其TOC去除率達(dá)到70，高于陽極體系的30TOC去除率。,ACF在去除水中的農(nóng)藥方面的研究。,Y

15、aping Guo等將ACF作為電極來處理農(nóng)藥DDT，1個(gè)小時(shí)后達(dá)到了吸附平衡，且吸附之后DDT的殘留濃度要低于非電極的活性炭纖維。 黃星發(fā)研究了ACF電極對(duì)敵草隆的去除作用，結(jié)果表明，在0.010.05A內(nèi)，敵革隆的去除隨著電流強(qiáng)度的增加而增加，其去除率為5891；敵草隆濃度在540mgL時(shí)，其去除率隨著濃度的增加而減小，但至1.5時(shí)。去除率均可達(dá)95以上；對(duì)于20 mgL的敵草隆，活性炭纖維電極電化學(xué)氧化對(duì)其去除率達(dá)95，并且重復(fù)使用其效果未見下降。,六、ACF深入研究方向,1.生產(chǎn)技術(shù) 近年來ACF的生產(chǎn)工藝已基本成熟，但ACF價(jià)格高，嚴(yán)重阻礙了其推廣應(yīng)用。因此，進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高

16、生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本仍是該領(lǐng)域的重要課題。,2.再生技術(shù) ACF生產(chǎn)成本高是導(dǎo)致其價(jià)格高的主要原因。但通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝來降低成本似乎已近極限。因此，改進(jìn)再生技術(shù)，使ACF的再生工藝簡(jiǎn)單、延長(zhǎng)其使用壽命，就可彌補(bǔ)價(jià)格高的缺點(diǎn)。尤其是光催化和生物再生技術(shù)，可連續(xù)使用。具有廣闊的發(fā)展前景。,3.改性 目前活性炭纖維的表面改性研究越來越受到了人們的重視，如利用合適的氧化劑在適當(dāng)?shù)臏囟认聦?duì)活性炭纖維表面的官能團(tuán)進(jìn)行氧化處理，從而提高表面含氧官能團(tuán)的含量，增強(qiáng)表面的極性；通過復(fù)合等技術(shù)，活性炭纖維的功能更加豐富。通過把活性炭纖維與生物活性物質(zhì)復(fù)合，可使吸附與生物降解相耦合。,國(guó)內(nèi)外具體研究方面： 1.Y

17、IN Yan-e采用生物ACF處理水中的NH3-N、NO2-N和UV54，在處理容量和處理效果上均顯著優(yōu)于生物活性炭與ACF，顯示了此項(xiàng)技術(shù)在水的深度處理領(lǐng)域里的應(yīng)用潛力。 2.國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)ACF進(jìn)行改性，以期提高其吸附性能。 3.如經(jīng)酸改性后ACF對(duì)苯氨類有機(jī)物吸附性能有所提高。 4.ACF經(jīng)遠(yuǎn)程氮等離子體改性后，增強(qiáng)了對(duì)堿性染料結(jié)晶紫的吸附能力。 5.ACF用酸、雙氧水和臭氧分別處理后，能有效提高對(duì)Cr()的吸附量，比未改性的ACF提高了33.47。,4.新品種開發(fā) 1）常規(guī)的活性炭纖維屬于微孔型，孔徑在l2nm之間。由于孔徑小，不能吸附大分子物質(zhì)，只能吸附氣態(tài)分子和小分子有機(jī)物，使其應(yīng)

18、用受到限制。為了拓展活性炭纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年國(guó)際上對(duì)中孔活性炭纖維及常規(guī)活性炭纖維表面改性的研究十分活躍。 2）隨著更多關(guān)于活性炭纖維研究的深入，其孔結(jié)構(gòu)將得到進(jìn)一步優(yōu)化，使得有機(jī)廢水中復(fù)雜多樣的成分將有望被全部吸附在吸附劑的孔隙中。 3）ACF與生化處理技術(shù)，電極電解法、光催化氧化、膜技術(shù)等其他技術(shù)的聯(lián)用也將更有利于廢水的深度處理。,七.ACF的回收利用，再生途徑及發(fā)展趨勢(shì),1.回收利用及再生途徑：活性炭纖維氈久用之后，微孔會(huì)被填滿，致使吸附能力有所下降。使用某種辦法可使吸附質(zhì)的動(dòng)能增加，擺脫引力，自活性碳纖維中逸出（不能完全解吸）。此時(shí)活性炭纖維的吸附功能即可復(fù)原，重復(fù)使用?；钚蕴坷w維脫附再生的方法很多，如熱蒸汽解吸法、氮?dú)饨馕ǖ?，有機(jī)廢氣治理中常用熱蒸汽解吸法。工業(yè)上的解吸需要專門裝置，而一般民品只需晾曬或電熱吹風(fēng)即可。,