活性炭纖維應用

時間：2023-03-24 14:04:06來源：food欄目：食品快速檢測閱讀：

活性炭纖維應用

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

[應用]ACF適用于各種有機廢水的處理，可對含氯廢水、制藥廠廢水、有機染料廢水、造紙黑液、苯酚廢水、四苯廢水、己內酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進行處理。其吸附能力比粉狀活性炭的吸附能力高得多，尤其適用于高平衡濃度時，每克ACF的吸附量約為粉狀活性炭的3倍。其吸附能力隨溫度升高而提高。

(1)染料廢水

ACF可以除去水中的亞甲基藍、結晶紫、臭酚藍等有機染料分子，其吸附量大，去除率高。對于不同的染料分子，ACF吸附速率差別很大，陳水挾等對ACF吸附染料做了大量的研究工作表明，ACF對亞甲基藍的靜態吸附量達400mg/g，結晶紫250mg/g，二甲酚橙100mg/g和對苯二胺250mg/g。

Zhemin Shen等用ACF電極電解降解29種染料，發現幾乎所有的染料溶液都能有效脫色，具有—SO3-、COO-、SO2NH2·和—OH等親水基團和珍偶氮的染料容易被分解，而具有—C=O、—NH—、芳香基團等憎水基團的染料易被吸附和絮凝。

(2)造紙黑液

賈金平等進行了ACF電極法電解處理造紙黑液的應用研究，發現當pH值為7左右、電解80min的條件下，COD、色度去除率分別達到64.25%和94%。黑液經酸析及聚鋁絮凝預處理后進行ACF電極電解，可進一步提高COD及色度的去除率。采用“酸化+電解(45min)+Fenton試劑(60min)”的綜合治理方案，上述去除率可分別提高到94.2%和99.6%，出水近乎清澈透明。

(3)高價重金屬離子廢水

RFu等研究發現，在堿性條件下ACF對Pt4+有很好的還原吸附性能，吸附容量達500mg/g。陳水挾等用經無機氧化劑改性的ACF吸附Ag+，發現改性的ACF在堿性條件下對Ag+的還原吸附容量大大提高，達550mg/g。

十三嗎啉農藥廢水、煉油廢水經ACF處理后，COD的去除率分別達到94%和88.2%；含COD達10000mg/L的制藥廢水，采用ACF三級吸附處理，效果很好，凈化效率達86%以上；含75種以上有機物、大量無機物、COD高達20000～50000mg/L的油頁巖干餾廢水，采用ACF處理，可使出水COD降到1000mg/L以下，凈化效率達98%以上，同時提高了BOD5/COD值，為進一步生化處理提供可能；生產丙烯酸丁酯的廢水，有機物含量高，COD達1.2×105mg/L，可生化性極差，采用傳統的懸浮一澄清一過濾方法處理，根本無法達到排放標準，而用ACF處理后COD<1000mg/L，達到排放標準，去除率達到99%以上。

活性炭纖維的吸附特性如下：

①孔徑分布窄且均勻通常ACF的孔尺寸<20A(1A=0.1nm)，大多在8～10A范圍。根據ACF吸附N2的數據，Jaroniec等確定了PAN基的和纖維素基ACF的孔徑尺寸，發現85%的微孔孔徑在10A左右。事實上，大量文獻記載的ACF的孔徑尺寸均為10A。ACF具有精細孔結構以及孔徑分布均勻(或孔徑分布窄)的特征，可能是因為兩方面的原因導致的。首先，因為前體(聚合體和瀝青)是無灰分的，ACF基本不含灰分。在ACF氣體活化過程中，任何礦物都可能成為具有催化作用的微粒，這些微粒發揮炭纖維的成孔、隧穿和邊沿縮減等作用，礦物的催化效應增大了ACF的孔徑。由于炭纖維具有石墨化結構，在氣化過程中，微孔被拉長而不是加寬，基面上的碳原子沒有活性，不會氣化，然而邊緣的碳原子是氣化的活化點。此外，邊緣碳原子的反應是各向異性的，即齒形邊緣比椅形邊緣更具活性。實際的石墨基面是由不同結晶邊緣的復合而成的，具有不同的反應活性。石墨結構基面內的間距為3.35A。氣化反應從ACF邊緣開始，沿著同一石墨層在相鄰邊緣繼續。因此微孔兩個層之間的孔被拉伸，微孔的尺寸約為7A。如果氣化反應從兩個層結合處上的邊緣原子開始，微孔的尺寸會局限在兩個層之間的距離內，即10A左右的范圍內。所以ACF的孔徑尺寸多為10A。Freeman等一系列發表的成果表明，為產生更大的孔以及保證均勻孔徑分布，氣體活化前需要加入催化劑。

由于孔隙小、孔尺寸分布均勻，使得ACF與吸附質分子間具有很強的相互作用。

②纖維直徑小而均勻ACF的前體是炭纖維。因為纖維是采用不同的紡紗技術制造而成，故可以保證其直徑非常均勻。活化后纖維直徑基本不會變化，大部分商業活性炭纖維直徑接近10μm，盡管也有部分活性炭纖維直徑為8～20μm。

纖維直徑小而均勻對吸附、脫附過程的傳質速率有直接和重要的作用。吸附和脫附速率與擴散時間常數D/R2(D為擴散系數，尺為半徑)有直接關系。R2/D的值大約為從初始條件開始，在球形顆粒上完成一個擴散步驟的99%所需的時間。隨著R值減小，R2/D值急劇下降。ACF僅具有擴散距離小于R(即纖維半徑)的微孔，而GAC同時具有微孔和中孔(大孔)。所以擴散時間常數有兩種。Ruckenstein等關于雙擴散孔結構的分析中描述了兩種擴散時間常數的相互關系。所有商業吸附劑中，因為大孔中的擴散距離更長，大孔(球狀吸附劑)擴散阻力和微孔一樣很重要。

很多研究報道了ACF和GAC固定床中VOC的穿透曲線，并且與GAC固定床進行了對比。Schmidt等研究表明，人造絲基ACF從水溶液中吸附亞甲基藍的速率比顆粒活性炭高2個數量級，比粉末活性炭高1個數量級。

Suzuki研究了ACF床的軸向擴散行為。軸向擴散系數與流速成比例，且不同吸附床的比例常數可以與床層密度(單位：g/mL)進行關聯，并隨床層密度的增加而增大。Suzuki利用擴散系數和Freundlich等溫線預測了ACF吸附床的穿透曲線。

③石墨化結構、高電導率以及高強度在ACF的發展早期就曾有人指出，由于ACF的高電導率特性，有可能采用原位電再生的方法進行再生，而且再生速率比較快。ACF的石墨化結構使其具有高電導率(或低電阻率)。各向同性ACF的電阻率(根據Ohm定理定義的電阻)為4～6mΩ·cm。這些電阻值僅比石墨電阻率(1.38mΩ.cm)高約3～5倍。

不過ACF布和織物的電阻率較高。Subrenat等定了多種人造絲基ACF織物的電阻率，電阻率值高達600msΩ·cm。ACF復合整體塑料制品的電阻率為130mΩ·cm。不同ACF布比較結果表明，由于孔隙比例較高，電阻率隨比表面積的增加而增加(Subrenat等，2001)。

由于ACF具有高電導率，吸附床可以采用電加熱再生，這種再生方法稱為電熱脫附。很多研究團隊開展過電熱脫附方面的研究。電熱脫附有望在諸如VOC治理等凈化方面得到應用，Lordgooei等利用纖維布吸附器對此做了示范研究。

由于具有石墨化的性質，ACF可作為耐熱材料，因為其燃燒溫度高達1000℃。產生的粉塵/細粉少也被認為是ACF的優點之一。

活性炭纖維拉伸強度高，因而可以加工成布、織物、紙、氈以及復合材料等多種形式。加之具有吸附容量大、吸附速率快的特性，這些材料非常有望用于制造體積小、吸附負荷大的吸附設備。例如采用波紋ACF的旋轉式吸附器(帶逆流熱再生裝置)已用于從空氣中除去溶劑的示范應用。Humphrey和Keller對這種類型的吸附器或稱整體式吸附劑進行了詳細的討論。

采用酚醛樹脂作為黏合劑制成的活性炭纖維整體復合材料可能用于包括氣體分離在內的多個方面。密度小于0.25g/cm3的低密度復合材料特別有望用于氣體分離和能源儲存(CH4和H4)。Burchell對這些類型的材料進行過詳細討論。

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