1活性炭纖維概述

活性炭纖維(ACF)是20世紀70年代初發(fā)展起來的一種吸附性能優(yōu)于活性炭的功能性炭纖維。活性炭纖維是纖維炭化過程中形成的一種中間相，具有很高的抗拉伸強度和彈性。它的前體為聚合纖維（聚丙烯腈；酚醛樹脂；聚二乙烯）、纖維素和瀝青(煤焦瀝青、石油瀝青)。活性炭纖維具有很高的比表面積，比表面積（BET）一般為1000m²/g-2000 m²/g。具有顆粒活性炭（GAC）、粉末活性炭（PAC）不具有的獨特優(yōu)點。孔徑分布窄且均勻，其孔型為狹縫型，與吸附質相互作用強；孔徑小而均勻，其細口直徑為單峰型分布，吸附脫附速率快，具有較好的導電性和耐熱性的石墨化特征。彈性好、強度高，具有很好的加工性能，在形態(tài)和形式上有很好的可塑性，可加工成氈、布、網、片以及蜂窩狀、波紋狀等多種形態(tài)。

活性炭纖維主要由C、H、O三種元素組成,其中C的含量是最高的。不同前驅體的物理和化學性質決定了活性炭纖維的基本性能。活性炭纖維作為一種吸附分離功能性材料，在空氣凈化、有機廢氣處理、防毒面具、制作化學防護服、汽車尾氣處理、氣體儲存以及印染廢水處理、水的凈化等范疇內具有廣泛的應用。對于保護生態(tài)環(huán)境，合理利用資源，促進社會科學發(fā)展有著重要的作用。

2活性炭纖維概況2.1國內活性炭纖維的發(fā)展概況

目前我國活性炭纖維及其產品還處于研制、開發(fā)的發(fā)展和試驗階段，和日本、美國、俄羅斯等已經進入工業(yè)化和實用階段的國家相比產品性能有待提高，沒有形成成熟而獨立的工業(yè)體系。國內對活性炭纖維進行大量研究的機構有中科院山西煤炭化學研究所、上海紡織科學研究院。上海紡織科學研究院首先成功的開發(fā)了酚醛基活性炭纖維，之后開發(fā)了粘膠基活性炭纖維。中科院山西煤炭化學研究所主要研發(fā)了粘膠基和瀝青基活性炭纖維。國內的一些高等院校也在進行著活性炭纖維的研究工作，如中山大學、東華大學、大連理工大學、清華大學、上海交通大學、北京化工大學等。其中中山大學曾漢民做了大量關于活性炭纖維的研究工作。尤以天然植物為前驅體的活性炭纖維的制備為重點，如甘蔗渣、棉粘膠、劍麻等。并率先提出來活性炭纖維表面的氧化還原性質，應用在吸附重金屬上。北京化工大學沈曾民對瀝青基活性炭纖維進行了研制，并對活性炭纖維工藝過程的廉價化、高效化和成孔機理進行了大量的研究。中科院山西煤炭化學研究所楊全紅、鄭經堂等人對高比表面積活性炭纖維吸附機理進行了大量的研究。就國內活性炭纖維工業(yè)來看，活性炭纖維的研究還處于研究和適用階段。工業(yè)化程度不高、沒有真正形成獨立的工業(yè)體系。

2.2國外活性炭纖維的發(fā)展概況

國外對于活性炭纖維的研究早已成熟，并已經進入工業(yè)化生產。日本在活性炭纖維的研究處于領先地位。活性炭纖維的發(fā)展經歷了幾十年的發(fā)展歷程。1962年美國W.F.Abbott成功開發(fā)出粘膠基活性炭纖維，該活性炭纖維原料低廉、制成品比表面積大、吸附性能好，但產品收率低、強度低、生產工藝復雜。70年代初日本東洋紡公司也成功開發(fā)出以粘膠纖維為原料的活性炭纖維，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產。70年代初美國成功研制出酚醛基活性炭纖維。該活性炭纖維原料低廉、耐熱、不需要進行預處理，產品收率高、比表面積大、活性炭纖維結構中含有S、N化合物、有催化作用、吸附性能好、工藝簡單成熟，但比表面積小、成本高。1985年大阪煤氣公司與尤尼吉卡公司聯(lián)合開發(fā)的瀝青基活性炭纖維。該活性炭纖維原料低廉、產品收率高，但雜質含量高、不易制得、深加工困難、強度低。隨著各個國家研究的不斷深入，不同原料基的活性炭纖維相繼開發(fā)成功。目前，不斷完善工藝、降低成本、提高產品性能、增加品種、擴大應用領域是活性炭纖維今后的發(fā)展方向。

3活性炭纖維的主要結構、性能及指標3.1孔結構的分類 

孔的大小及其分布、孔形狀、孔體積和比表面積是孔結構的重要指標。根據(jù)IUPAC分類法，可將活性炭纖維的孔分為：超微孔＜7nm；亞微孔0.7-2nm；中孔2-50nm；大孔，孔徑＞50nm。盡管如此，活性炭纖維在制造的過程中，各種尺寸的孔會同時出現(xiàn)，只是比例不同。目前市場上常見的是微孔活性炭纖維，微孔含量高達92%以上。在閱讀文獻的過程中，對于中孔活性炭纖維的中孔含量一般為20%-60%，目前還沒有關于中孔活性炭纖維的中孔含量特別高的報道。更沒有大孔活性炭纖維的報道。

3.2孔結構表征方法 

孔結構表征方法可分直接法和間接法兩類。直接法包括隧道掃描顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM)。間接法有分子探針、X射線小角散射、中子散射和吸附法。其中吸附法是最常用的表征方法，是用低溫（77K）氮吸附等溫線及相關理論來表征活性炭纖維的孔結構。其原理是依據(jù)吸附質（氣體）低壓下在多孔固體表面形成單層吸附，隨著壓力的不斷增加逐漸產生多層吸附乃至氣體的凝聚。因此，在已知吸附質分子尺寸的前提下，可利用單層吸附量來計算多孔碳的比表面積，如BET法、Langmuir法等。也可利用吸附質凝聚（填充）吸附的量，計算相應的孔體積，如t法、DR法等。利用低溫吸附等溫線，還可推到活性炭纖維的孔大小及分布，如MP法、BJH法、DA法、H-K法、DFT法。還可用Wash-bun提出的并經Ritter完善的壓泵法測定大孔，用Cranston-Inkley法測中孔，用Dubinbin法測微孔和超微孔，用DeBoer法測總比表面積、外比表面積和內比表面積。

4活性炭纖維在氣體吸附領域的應用研究4.1在有機廢氣處理中的應用研究 

國外在20世紀90年代就已經將活性炭纖維廣泛的應用于各種有機廢氣的回收與凈化。如美國最早將活性炭纖維應用在回收凈化噴漆生產過程中排放出的有機廢氣。日本90年代初也將其用在回收氟碳物氣體和其它有機廢氣。我國對于活性炭纖維的有機廢氣的回收與凈化主要集中在石油化工行業(yè)、噴漆行業(yè)、膠片行業(yè)和印刷行業(yè)。在石油化工行業(yè)，從有機尾氣或廢氣中回收有機溶劑和有機氣體，如苯類、烴、烯烴、芳香烴、二氯甲烷、二氯乙烷、氯乙烯、環(huán)己烷、酮、醇、醛等，尾氣中有機物的回收率高達98%以上等。在噴漆行業(yè)，回收凈化噴漆生產過程中排放出的大量的苯、甲苯、二甲苯等有機廢氣。在涂裝行業(yè)，回收凈化生產過程中產生的含乙酸丁酯廢氣。在膠片行業(yè)，回收凈化感光膠片生產過程中產生的二氯甲烷廢氣。在印刷行業(yè)，回收凈化油墨印刷過程中產生的有機廢氣，如苯、二甲苯、丙酮、丁醇、乙酸乙酯和乙酸丁酯等有機廢氣。

4.2在去除H₂S中的應用研究 

H₂S是具有較強還原性的酸性氣體。在常溫下，PAN-ACF微孔表面的官能團與S元素形成電子轉移體系，化學轉化主要發(fā)生在微孔中，當入口氣中沒有O₂時，反應中心是碳骨架上的吡咯碳，如果加入O₂，ACF吸附H₂S的性能提高，這時不但生成高價硫，還引發(fā)低價硫的生成。提高溫度可促進上述氧化過程，提高其動態(tài)吸附能力。Bouzaza等研究了O₂、 CO₂和相對濕度對H₂S吸附的影響，并提出了化學反應步驟是ACF吸附H₂S的速度控制步驟。Fumimsky等認為在有水的情況下吸附H₂S效果好的原因主要是:含氧基團和O₂對H₂S的氧化導致硫酸和OH·和O₂^·-兩種自由基的生成，這些自由基和H₂S作用加快了氧化反應的速度。Primavera等認為ACF本身的吸附活性對提高吸咐性能的影響遠遠超過生成物的自催化作用。所以水的存在可以溶解生成物，減少生成物對ACF孔道的堵塞，從而提高ACF的吸附性能。

4.2在去除H₂S中的應用研究 

含硫廢氣的排放是造成大氣污染的主要原因之一。SO₂是危害最大、數(shù)量最多的污染物。國內外學者關于活性炭纖維吸附脫除SO₂進行了大量的研究。在活性炭纖維前驅體方面，進行了瀝青基活性炭纖維、聚丙烯腈基活性炭纖維和粘膠基活性炭纖維等不同前驅體活性炭纖維吸附性能的研究；在活性炭纖維物理性能方面，進行了比表面積、孔結構、孔徑及其分布對SO₂吸附性能影響的研究；在實驗方法方面，進行了動態(tài)吸附和靜態(tài)吸附的研究。張彬等研究了不同孔徑結構的瀝青基活性炭纖維對SO₂氣體的吸附性能。研究結果表明:瀝青基活性炭纖維的孔徑結構相比于比表面積和微孔容量對SO₂氣體的吸附性能影響更大，活性炭纖維的平均微孔徑為0.7nm左右時，對SO₂的吸附性能最好，常溫常壓條件下，活性炭纖維動態(tài)SO₂最大吸附量達到20. 37mg/g。Vivckanand G等研究了粘膠基纖維和酚醛樹脂纖維兩種前驅體分別采用水蒸汽和CO₂活化法制備活性炭纖維及其對SO₂氣體的吸附性能。研究結果表明:兩種前驅體纖維采用水蒸汽活化法制備的活性炭纖維所含含氧官能團量(-OH,-COOH,C=O等)均多于CO₂活化法制備的活性炭纖維，活性炭纖維的SO₂吸附量隨表面含氧官能團量增加而下降。另外，在相同條件下，粘膠基活性炭纖維脫除SO₂性能優(yōu)于酚醛樹脂基活性炭纖維。

5結語與展望

本文綜述了國內外活性炭纖維的發(fā)展概況并對其結構、性能及指標進行了基本的概括。闡述了活性炭纖維在氣體吸附領域的研究進展。目前降低活性炭纖維的生產成本，優(yōu)化活性炭纖維的生產工藝，改善活性炭纖維的吸附性能及使用壽命，是目前科研人員研究的重點。國際上也正在研發(fā)含有豐富孔徑分布的中孔或大孔的活性炭纖維和具有高比表面積的活性炭纖維以適應不同場所對活性炭纖維的需求。當前探索活性炭纖維的處理途徑，改變活性炭纖維的孔徑分布以及表面化學基團分布。拓寬活性炭纖維的使用領域，完善活性炭纖維吸附設備的成套性能，是活性炭纖維的發(fā)展趨勢。