活性炭纤维

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活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,ACF)

　　活性炭纤维亦称纤维状活性炭，是指性能优于活性炭的一种多孔性纤维吸附材料和环保工程材料。

　　根据原料纤维种类的不同，ACF可分为黏胶基活性炭纤维(VACF)、聚丙烯腈基活性炭纤维(PAN-ACF)、沥青基活性炭纤维(FACF)、酚醛基活性炭纤维(PACF)、聚乙烯醇基活性炭纤维、天然纤维基活性炭纤维(如剑麻基活性炭纤维)和木质素基活性炭纤维(焦木素)等主要类型。日本是ACF第一生产大国，美国、俄罗斯等国家的活性炭纤维工业也有相当大的规模，我国的活性炭纤维工业起步较晚，生产规范还十分有限。

　　1.结构特征

　　ACF是多孔性的吸附材料，含有丰富的微孔， 微孔的体积占总孔体积的90％以上，微孔直径小(约2nm左右)：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。在ACF中无大孔．只有少量的过滤孔，在ACF丝束间的空间起大孔作用，对气相和液相的物质具有较好的吸附作用。其比表面积大(约lO00m²／g-3OOOm²／g)，微孔直接开口于纤维表面，因而吸附容量大、吸附效率高、吸附、脱附速度快．为粒状活性炭的10-100倍。随着比表面积增大，细孔的平均直径随之增大，细孔容量增加，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也增大，为粒状活性炭的1．5～1O倍，可吸附处理低浓度废气或具有高活性的物质。

　　2.表面化学结构

　　ACF表面原子呈不饱合结构，具有独特的表面化学性能，微品在燃烧温度低时易与氧化介质反应成氧化物，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。

　　(1)水的处理方面的应用

　　①饮用水的净化

　　在自来水厂，为除去水中细菌等，需在水中加入有效氯，但氯与水中有机物反应可能生成氯化物和因氯气而发生异味，所以在家庭自来水管出口处人们常使用活性碳净水器，而现在这种净水器已逐步被ACF净水器取代。用ACF取代不仅具有不易产生黑色粉末、压力损失小、水流速度快等特点，还可以用银离子进行处理或者利用它的导电性制成杀菌性ACF。

　　② 工业废水的处理

　　随着工业化生产的发展和城市人口的增加，水污染越来越严重。其中的有毒物和有害物己对生态环境造成威胁，ACF对水溶液中的有机染料、磷化物、苯酚、碘以及无机污染物等具有较强的吸附能力。

　　(2)空气净化

　　空气中主要污染源是二氧化硫和氮的氧化物及硫化氢和有机挥发物组分等，空气中的臭氧对人体的危害性极大，一般允许浓度为0．1×10 ^{− 6}g.mL ^{− 1}。但在实际空气中的浓度为80~100g.mL ^{− 1}时，长期接触易于引发肺炎，使肺的弹性功能组织变为无弹性而失去作用的病变组织。含氮沥青ACF在100％ 的高温下进行热处理后，二氧化硫的稳定态含量只有10％，硫酸从ACF表面的脱除也十分容易：用PAN基ACF可有效地捕捉空气中的硫化氢，在吸附表面上以三氧化硫或硫酸的形式吸附。各种废水发出的臭气可用ACF去除。ACF具有分解臭氧的能力，可用于办公设备的臭氧脱除，在复印机中配置着吸臭氧的吸附分解部件，利用ACF的低密度和对臭氧吸附分解；ACF并对3,4-苯并芘有特殊的吸附能力，对烟碱的吸附率高可用于室内的空气净化。如用于空气净化器等；在工业中可开发用于有害有毒气体的吸附．ACF可用于活性炭毡替代防毒面具和防毒消防头盔，可提高过滤效率，使其体积小和轻量化。

　　(3)溶剂回收

　　ACF吸脱附速度快、吸附容量大、脱附温度低、所含金属离子少，可有效地将工业加工生产的低沸点化合物、脂肪族化合物、及某些危害人体健康的有机溶剂、毒剂、腐蚀性溶剂等脱除并回收，既减少了环境污染和对人身的危害．又可使溶剂得到回收再利用。

　　(4)贵金属回收

　　ACF对无机废水中的金属离子也有较好的吸附效果，可吸附金、银、铂、汞、镉等许多重金属离子，并将其还原回收处理。氧化一还原功能，是ACF的基本特征之一。曾汉民等利用ACF的氧化还原功能，认为其对Au^{3 +} 、Ag ⁺ 、Pd^{4 +} 等贵金属离子有较好的氧还吸附性能，它能吸附大量高电位的离子，并将其还原为单质金属或低氧化态离子，而且所得金属呈纳米状态负载于ACF上，从而将贵金属回收、分离和再利用。

　　(5)医学领域

　　Rayon-ACF的无毒性使其在医学领域得到了广泛的应用。由于ACF具有化学稳定性、热稳定性及辐射稳定性，因而使用各种消毒方法进行消毒时，其不会发生任何变化。ACF对人体中外源性毒素的吸附十分有效，在血液过滤、内服解毒及外伤包扎与治疗方面都有重要用途。

　　(6)电子工业领域

　　利用ACF的比表面积大、孔径适中和导电特点，可用于制造电池产品的部件；可用于生产高效小型电容器，特别是双层电容器，容量是普通铝电解电容器的100万倍；可用于IC、LSI及超LSI的小型存贮永久性电源，避免因停电等事故而给计算机带来的不可估量的损失：还可开发用于大电流放电的双层电子电容器；在电子和能源方面可用于制造高性能的电容、电池的电极等。

　　(7)催化剂或催化剂载体材料

　　ACF出色的耐热性，耐酸碱性使之可以作为催化剂的有效成分。ACF可直接用作催化剂。ACF还可用来制备载体催化剂。ACF具有良好的导热性能，掺入催化剂中，能有效地提高催化剂的传热能力，对于放热剧烈的反应尤为有利。用ACF制作的负载型催化剂．可用于化工反应体系、冶金、选矿的废气治理及汽车尾气治理等。