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活性炭纖維的優勢及在有機廢氣回收行業的應用

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活性炭纖維的優勢及在有機廢氣回收行業的應用

發布日期:2019-07-24 作者: 點擊:


活性碳纖維(ACF)是20世紀70年代發展起來的一種新型、高效、多功能吸附材料,是繼粉狀活性炭和粒狀活性碳之后的第三代產品?;钚蕴祭w維具有大比表面積(1000~3000m2/g)和豐富的微孔,微孔體積占總孔體積90%以上?;钚蕴祭w維具有比粒狀活性碳更大的吸附容量和更快的吸附動力學性能,在液相、氣相中對有機物和陰、陽離子吸附效率高,吸、脫附速度快,可再生循環使用,同時耐酸、堿,耐高溫,適應性強,導電性和化學穩定性好,是一種比較理想的環保材料。目前,隨著對活性碳纖維的表面結構和性能關系的探索和了解,活性碳纖維的表面改性技術及其在污染物凈化領域中的應用研究越來越受到重視。 

傳統的活性炭是一種經過活化處理的多孔炭,為粉末狀或顆粒狀,而活性碳纖維則為纖維狀,纖維上布滿微孔,其對有機氣體吸附能力比顆?;钚蕴吭诳諝庵懈邘妆吨翈资?,在水溶液中高5~6倍,吸附速率快100~1000倍,沒有確切數值,這與活性碳纖維的種類、制作工藝等有關。它是繼活性炭之后新一代的吸附材料,它的使用只是近20多年的事,世界上只有少數國家能夠生產。它的制品可以是絲、紙、氈、布等形式,活性碳纖維的市場價格在40萬/噸左右,是活性炭的十幾倍到幾十倍(煤質活性炭價格在1萬/噸左右,椰殼活性炭價格在2萬/噸左右)。但因其重量極輕,其制品成本只是略有增高而已。在工業上利用它的超強吸附能力去回收有機溶劑,凈化空氣,凈化用水。

ACF(碳纖維)是繼廣泛使用的粉末活性炭、顆?;钚蕴?/span>之后的第三代新型吸附材料,它是由纖維為原料制成,具有比表面積大、孔徑適中、分布均勻、吸附速度快、雜質少等優點;被廣泛運用于水凈化、空氣凈化、航空、軍事、核工業、食品等行業;

圖片1.png活性炭纖維演變

圖片2.png活性炭纖維對比

性能特點:

功能活性碳纖維與傳統的吸附劑——粒狀或粉狀活性炭相比,具有優良的結構與性能特征。ACF纖維直徑細、比表面積大、微孔結構發達、孔徑小且分布窄、吸附容量大、吸脫速度快、再生容易。它對ppb級的痕量物質吸附特別有效,亦即低濃度下吸附效率高(例如對甲苯的吸附,GAC至少為100ppm,而ACF可達10ppm。另外ACF制品濾阻、濾損小、強度高、不易粉化、容易處理、凈化純度高、雜質少。

ACF對各種有機和無機氣體以及水溶液中的有機物和貴重金屬離子等具有較大的吸附量和較快的吸附速度,凈化效率高。尤其聚丙烯腈基活性碳纖維(PAN-ACF)中含有氮,對硫系化合物和氮系化合物具有特殊的吸附能力,這是任何其他原料基ACF無法與其比擬的。

ACF對低濃度物質更顯優異的吸附性能,在處理微量雜質和提純溶液的應用上,GAC和PAC是無法與其比擬的。同時,ACF具有耐堿、耐酸、耐高溫、導電和化學穩定性等。最重要的是ACF可操作性好,具有普通纖維的機械物理性能,能自由地加工成不同形態的纖維制品(如布、帶、氈等),能與其它功能纖維復合使用,便于設計出更加小型緊湊的各種吸附和過濾裝置,為工程應用和設備簡化帶來更大的便利。

而且,ACF制品在振動下不會發生裝填松動或過緊,克服了GAC和PAC在操作時易形成溝槽和沉降等問題,特別適合吸附和脫附頻繁的廢水處理和空氣凈化。所以,國外已經在環保、化學化工、食品、醫療衛生、國防軍工、航空航天、原子能、電子、交通運輸、紡織和日常生活等領域廣泛應用了ACF及其制品。 

活性碳纖維的纖維直徑為5~20μm,比表面積平均在1000~1500m2/g左右,平均孔徑在1.0~4.0nm,微孔均勻分布于纖維表面。與活性炭相比,活性碳纖維微孔孔徑小而均勻,結構簡單,對于吸附小分子物質吸附速率快,吸附速度高,容易解吸附。與被吸附物的接觸面積大,且可以均勻接觸與吸附,使吸附材料得以充分利用。效率高,且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細的表態,孔隙直接開口在纖維表面,其吸附質到達吸附位的擴散路徑短,且本身的外表面積較內表面積高出兩個數量級。對于有些大分子或顆粒物質,如二惡英、粉塵等,體積已經接近乃至大于活性碳纖維微孔體積,難以被吸附,相比較活性炭更占有優勢。

圖片3.png活性炭與活性碳纖維孔結構比較

圖片4.png活性碳纖維孔徑分布

攔截功能對比表:

粉末活性炭(Pac)<顆?;钚蕴浚℅AC)<活性炭棒(CTO)< PP<碳纖維(ACF)

圖片5.png活性炭纖維攔截能力對比

用途:

活性碳纖維氈用于有機溶劑的回收,對于從氣相分離回收有機溶劑,如對苯類、酮類、酯類、石油類的廢氣均能從氣相吸附回收。用活性炭纖維作溶劑回收材料吸附脫附速度快、處理量大,回收溶劑質量高,回收率可達90%以上。

隨著人類環保意識的不斷加強,對于生存的環境,特別是對空氣、水等凈化密切相關的活性炭等環保材料的性能要求越來越高,粒狀或粉狀活性炭已能很好滿足使用要求。傳統的活性炭是一種粒狀或粉狀的炭材,自20世紀初實現工業化生產以來,在分離及凈化水及其它液體的除臭、凈化等方面得到廣泛應用。粒狀或粉狀的結構,它的吸附速度較慢,分離效率不高,特別是它的物理形態在應用時有許多不便,限制了應用范圍。

活性炭纖維孔徑小且分布窄,吸附速度快,吸附量大,容易再生。與粉狀(5nm~30nm)活性炭相比,活性炭纖維在使用過程中產生的微粉塵少,可制成紗、線、織物、氈等多種形態的制品,使用時更加靈活方便?;钚蕴坷w維被認為是21世紀最優秀的環保材料之一,在氣體和液體凈化、有害氣體及液體吸附處理、溶劑回收、功能電極材料等方面已得到成功應用。

吸附能力:

含碳纖維高溫活化后,纖維表面布滿微孔(即氫、氧原子揮發前所占位置),其孔徑為一根頭發絲的十萬

圖片6.png活性炭纖維吸附功能對比

分之一,把這些微孔的內表面展開,1g活性碳纖維氈的展開面積高達1600m2,這是這些微孔起到了吸附氣味的作用。從物理學可知,物體的表面對外存在引力,表面越大吸附力越大,活性碳纖維正是通過這種范德華力的作用吸附周邊分子并牢固與微孔之中。

吸附功能對比表:

圖片7.png

粉末活性炭(Pac)<活性炭棒(CTO)<顆?;钚蕴浚℅AC)<碳纖維(ACF)

再生方法:

活性炭纖維氈久用之后,微孔會被填滿,致使吸附能力有所下降。使用某種辦法可使吸附質的動能增加,擺脫引力,自活性碳纖維中逸出(不能完全解吸)。此時活性炭纖維的吸附功能即可復原,重復使用?;钚蕴坷w維脫附再生的方法很多,如熱蒸汽解吸法、氮氣解吸法等,有機廢氣治理中常用熱蒸汽解吸法。工業上的解吸需要專門裝置,而一般民品只需晾曬或電熱吹風即可。

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