活性炭纖維化學活化與催化活化改性

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

(1)化學活化與催化活化改性

化學活化改性即是化學試劑活化。

催化活化改性是在ACF中添加金屬或非金屬化合物等添加劑后，再碳化活化，制得中孔ACF。當ACF中添加了金屬組分，活化時金屬原子對結晶性較高的碳原子起選擇氣化作用，從而使微孔合為一體，形成中孔。目前文獻報道用于中孔ACF的金屬化合物有KOH、FeSO4、TiO2、MgO、AgNO3、Co+等。但以上方法會使ACF產物中含有金屬雜質，在應用開發上帶來不便。非金屬添加劑制備中孔ACF并不是僅僅簡單地由微孔拓寬而形成，大部分是在非金屬添加劑/聚合物碳界面處形成。添加劑種類主要有環氧已烷、炭黑、石墨、PVA、PVAc。

Free manJ.J.等選用3% AICl3，3% ZnCl2，3% NH4Cl，5% NaH2PO4溶液浸泡入造絲，發現由此制得的ACF中孔率大大提高，經分析研究，認為對中孔形成有貢獻的是磷酸根離子。

(2)氧化改性

氧化改性主要是利用強氧化劑在適當的溫度下對ACF表面的官能團進行氧化處理，從而提高表面的含氧酸性基團的含量，增強表面的極性。氧化改性又可分為氣相氧化和液相氧化，氣相氧化是ACF在溫度為300～350℃的空氣中被氧化，在表面產生含氧官能團，提高親水性和表面酸性；液相氧化是ACF與硝酸、硫酸等酸性溶液發生氧化反應，引入含氧基團，隨著酸液濃度的提高，ACF表面酸性增強。

Morawski等采用硝酸對酚基ACF進行處理，初步的研究結果表明，處理后ACF對三鹵甲烷的吸附性能大幅度提高。高首山等通過對ACF的氣相氧化和液相氧化處理，改變了ACF的酸性和極性。改性后的ACF對二氧化硫的吸附能力明顯增強。

(3)引入含氮基團改性

將ACF浸泡于某些含氮化合物中，改性處理后的ACF表面含氮量增加，提高了吸附能力。大量研究表明，在比表面積為700～2000m2/g、微孔直徑10～30μm、微孔容積為0.25～0.13m3/g的再生纖維素系、PAN系、酚醛系、瀝青系等ACF上，添加聚乙烯亞胺或對-氨基乙酰-N-苯胺，就可以達到吸附脂肪族醛等臭味的目的，而且它們與ACF表面上的氧(表面氧質量分數最好為10%～20%)有相乘作用，經反復洗滌或隨時間推移的性能，劣化極少。

榮海琴等用含氨基的親水性化合物溶液浸泡處理PAN-ACF，改性后PAN-ACF對甲醛靜態與動態吸附都大于未經處理的原樣。部分被吸附物于150℃不能夠完全脫除，經推知，所發生吸附既有物理吸附又有化學吸附，是其表面官能團與孔結構共同作用的結果。吸附過程中含氮官能團的作用較顯著。

(4)負載金屬及金屬化合物改性

負載金屬及金屬化合物改性是使金屬離子在ACF的表面首先吸附，再利用ACF的還原性，將金屬離子還原成單質或低價態的離子，通過金屬或金屬離子對被吸附物較強的結合力，從而增加ACF對被吸附物的吸附性能。

Oye等研究出載銀ACF具有吸附和滅菌雙重功能。用載銀ACF對大腸桿菌進行吸附，大腸桿菌分布于載銀ACF的溝槽處，所吸附的細菌數量隨銀含量和比表面積的增大而增大；細菌吸附量還與載銀ACF表面銀顆粒的大小有關。杜秀英等研究了載錳ACF(SACF-Mn)的制備，以及對汽油中乙基硫醇的吸附。梅華等將ACF氧化處理和負載Cu+，發現均能改善ACF的乙烯/乙烷吸附分離性能。以表面氧化改性ACF為載體，CuCl為活性組分的負載型吸附劑較ACF直接負載CuCl吸附劑具有較大的乙烯吸附容量和選擇性，其原因是ACF氧化改性后，表面羧基基團明顯增多，使CuCl與ACF表面結合力加強，改善了其分散狀態，Cu+的利用率提高，乙烯的化學吸附位增多。

以下以載錳劍麻基活性炭纖維的制備為例來說明一下活性炭纖維素的制備。

①纖維的預處理劍麻纖維首先用5%氫氧化鈉水溶液浸漬24h,除去其中的果膠等雜質，用水沖洗至中性后，用5%濃度的磷酸氫二銨水溶液浸漬24h，撈出纖維，將其晾干后用于碳化活化。

②碳化活化經上述預處理的劍麻纖維置于碳化爐中，在惰性氣體保護下以約8℃/min的升溫速度加熱至700～900℃，得到不同碳化溫度下的碳纖維；在該指定溫度下恒溫一短暫時間后，以恒定速度通人水蒸氣使碳纖維活化，控制活化時間為10～90min，自然冷卻后得一系列劍麻基活性炭纖維，記為SACF。

③錳的負載將SACF浸泡在不同濃度的MnSO4溶液中，或浸泡在相同濃度且陰離子或價態不同的錳溶液中24h,飽和吸附后將纖維晾干，最后在氮氣中，分解溫度下加熱處理，獲得改性SACF，用SACF-Mn表示。

碳化活化反應符合一級動力學規律，反應速度與活性炭纖維的質量成正比例關系，并且隨反應溫度的升高，碳化活化反應速度常數也相應提高，反應速度常數隨溫度的變化關系符合阿累尼烏斯規律，劍麻基活性炭纖維的碳化活化反應的表觀活化能為124kJ/mol。

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