纳米椰壳活性炭纤维的开发与应用进展摘要:介绍了纳米椰壳活性炭纤维的性能、生产的主要技术路线与的操作条件及有关进展情况。阐述了国内
外研究开发的现状与发展趋势,并探讨了扩大应用范围等的前景与市场需求。
关键词:纳米椰壳活性炭纤维;开发;应用
1 前言
椰壳活性炭纤维(ACF)是以有机纤维为前驱体通过不同途径而制得的一种新型功能性纤维,做为继粉状椰壳活性炭和粒状椰壳活性炭之后的第三代产品的新型功能吸附材料具有成型性好,耐酸、碱,电导性与化学稳定性好等特点。其不仅比表面积大、孔径适中、分布均匀及吸附速度快,而且具有不同的形态。椰壳活性炭纤维在催化、吸附方面具有独特的性能特征,其本身所具有的特性与孔结构、孔分布、微孔表面积以及表面化学等使之具有极大的开发价值。目前,纳米ACF已广泛应用在化学工业、环境保护、辐射防护、电子工业、医用、食品卫生等方面,而且越来越受到人们的关注,其应用前景相当广阔。
2 主要性能
ACF是一种表面纳米粒子,具有不规则的结构与纳米空间混合的体系。其纤维直径细,与被吸附物的接触面积大,且可以均匀接触与吸附,使吸附材料得以充分利用。效率高,且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态,孔隙直接开口在纤维表面,其吸附质到达吸附位的扩散路径短,且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。
2.1 结构
ACF具有微孔形结构,微孔半径在2nm以下,其孔径分布窄,特殊的细孔呈单分散分布,由不同尺寸的微细孔隙组成其结构,并且中孔、小孔扩散呈现出多分散型分布,在各细孔结构中的差别较大,其主要原因在于原料的不同。在ACF中无大孔,只有少量的过渡孔,微孔分布在纤维表面,其吸附速率快,ACF丝束的空间起大孔作用,对气相与液相物质具有较好的吸附作用,其外比表面积大,吸脱速度快,为粒径椰壳活性炭10~100倍。随着比表面积增大,细孔的平均孔径随之增大,细孔容积增加,在细孔内发生吸附后充填细孔内。其比表面积增大吸附容量大,为粒状椰壳活性炭的10倍,可吸附处理低浓度废气或具有高活性的物质。ACF的体积密度小,滤阻小、可吸附粘度较大的液态物质,且动力损耗小。
2.2 表面化学结构
ACF固体表面原子呈不饱和结构,具有独特的表面化学性能,微晶在燃烧温度低时易与氧化介质发生反应生成氧化产物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基团,及含硫基、氮元素、卤素等官能团。其表面酸性与吸附平衡有密切的关系。按照国际纯粹与应用化学联合会(1UPAC)的分类标准,吸附剂的细孔分为三类:孔径大于50nm的为大孔,2nm~50nm的为中孔,0.8nm~2nm的为微孔以及小于0.8nm的为亚微孔。ACF的孔主要是乱层结构炭和石墨微晶形成的微孔。微孔的大量存在使ACF的表面积增大,同时也使其吸附量提高。吸附剂中的大孔是作为被吸附分子到达吸附位的通道,它控制着吸附速度;ACF其纤维直径一般在10nm~13nm、外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与吸附质接触、扩散阻力小,所以其吸脱附速度快,有利于吸附分离。而且,可以根据需要制成毡、布、纸等各种形态,适应于多种用途。ACF是由CF活化而成。CF为多晶乱层石墨结构,转化成ACF后,结构基元不变化。ACF是非均匀性的多相结构。由于高温水蒸气将部分原子脱去后形成微孔结构使之生成羧基、羰基等含氧活性基团,使其表面的酸性增加。比表面积约为1 200m2/g,远大于CF,在苛刻条件下活化时可达3 000m2/g。ACF为分布狭窄单一孔径的微孔结构,其孔可以产生毛细管的凝聚作用。由于具有微孔,其吸附、脱附速率远大于两个数量级,吸附量大。在填充床中流体的床层阻力小,可作为催化剂与催化剂载体使用在ACF分子内的痕量杂原子为磷、氮、氯等。在活化时,部分杂原子被脱去后,表面的杂质大大减少。由于活化中氧化气体的作用,表面含氧基团增强,主要有酸性基团,如羧基等。中性基完备如羰基、内酯基等。碱性基团有过氧化基等。ACF会因活化的方法不同,而生成不同表面含氧基与表面酸碱性不同的产物。在水的作用下,其氧化还原能力更强。由于水的存在可以使一些基团氧化成羟基。由此在表面含氧基团数目增加后,表面氧化还原容量增大。
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