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活性炭纤维的优势及在有机废气回收行业的应用

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活性炭纤维的优势及在有机废气回收行业的应用

发布日期:2019-07-24 作者: 点击:


活性碳纤维(ACF)是20世纪70年代发展起来的一种新型、高效、多功能吸附材料,是继粉状活性炭和粒状活性碳之后的第三代产品。活性碳纤维具有大比表面积(1000~3000m2/g)和丰富的微孔,微孔体积占总孔体积90%以上。活性碳纤维具有比粒状活性碳更大的吸附容量和更快的吸附动力学性能,在液相、气相中对有机物和阴、阳离子吸附效率高,吸、脱附速度快,可再生循环使用,同时耐酸、碱,耐高温,适应性强,导电性和化学稳定性好,是一种比较理想的环保材料。目前,随着对活性碳纤维的表面结构和性能关系的探索和了解,活性碳纤维的表面改性技术及其在污染物净化领域中的应用研究越来越受到重视。 

传统的活性炭是一种经过活化处理的多孔炭,为粉末状或颗粒状,而活性碳纤维则为纤维状,纤维上布满微孔,其对有机气体吸附能力比颗粒活性炭在空气中高几倍至几十倍,在水溶液中高5~6倍,吸附速率快100~1000倍,没有确切数值,这与活性碳纤维的种类、制作工艺等有关。它是继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,世界上只有少数国家能够生产。它的制品可以是丝、纸、毡、布等形式,活性碳纤维的市场价格在40万/吨左右,是活性炭的十几倍到几十倍(煤质活性炭价格在1万/吨左右,椰壳活性炭价格在2万/吨左右)。但因其重量极轻,其制品成本只是略有增高而已。在工业上利用它的超强吸附能力去回收有机溶剂,净化空气,净化用水。

ACF(碳纤维)是继广泛使用的粉末活性炭颗粒活性炭之后的第三代新型吸附材料,它是由纤维为原料制成,具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点;被广泛运用于水净化、空气净化、航空、军事、核工业、食品等行业;

图片1.png活性炭纤维演变

图片2.png活性炭纤维对比

性能特点:

功能活性碳纤维与传统的吸附剂——粒状或粉状活性炭相比,具有优良的结构与性能特征。ACF纤维直径细、比表面积大、微孔结构发达、孔径小且分布窄、吸附容量大、吸脱速度快、再生容易。它对ppb级的痕量物质吸附特别有效,亦即低浓度下吸附效率高(例如对甲苯的吸附,GAC至少为100ppm,而ACF可达10ppm。另外ACF制品滤阻、滤损小、强度高、不易粉化、容易处理、净化纯度高、杂质少。

ACF对各种有机和无机气体以及水溶液中的有机物和贵重金属离子等具有较大的吸附量和较快的吸附速度,净化效率高。尤其聚丙烯腈基活性碳纤维(PAN-ACF)中含有氮,对硫系化合物和氮系化合物具有特殊的吸附能力,这是任何其他原料基ACF无法与其比拟的。

ACF对低浓度物质更显优异的吸附性能,在处理微量杂质和提纯溶液的应用上,GAC和PAC是无法与其比拟的。同时,ACF具有耐碱、耐酸、耐高温、导电和化学稳定性等。最重要的是ACF可操作性好,具有普通纤维的机械物理性能,能自由地加工成不同形态的纤维制品(如布、带、毡等),能与其它功能纤维复合使用,便于设计出更加小型紧凑的各种吸附和过滤装置,为工程应用和设备简化带来更大的便利。

而且,ACF制品在振动下不会发生装填松动或过紧,克服了GAC和PAC在操作时易形成沟槽和沉降等问题,特别适合吸附和脱附频繁的废水处理和空气净化。所以,国外已经在环保、化学化工、食品、医疗卫生、国防军工、航空航天、原子能、电子、交通运输、纺织和日常生活等领域广泛应用了ACF及其制品。 

活性碳纤维的纤维直径为5~20μm,比表面积平均在1000~1500m2/g左右,平均孔径在1.0~4.0nm,微孔均匀分布于纤维表面。与活性炭相比,活性碳纤维微孔孔径小而均匀,结构简单,对于吸附小分子物质吸附速率快,吸附速度高,容易解吸附。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。对于有些大分子或颗粒物质,如二恶英、粉尘等,体积已经接近乃至大于活性碳纤维微孔体积,难以被吸附,相比较活性炭更占有优势。

图片3.png活性炭与活性碳纤维孔结构比较

图片4.png活性碳纤维孔径分布

拦截功能对比表:

粉末活性炭(Pac)<颗粒活性炭(GAC)<活性炭棒(CTO)< PP<碳纤维(ACF)

图片5.png活性炭纤维拦截能力对比

用途:

活性碳纤维毡用于有机溶剂的回收,对于从气相分离回收有机溶剂,如对苯类、酮类、酯类、石油类的废气均能从气相吸附回收。用活性炭纤维作溶剂回收材料吸附脱附速度快、处理量大,回收溶剂质量高,回收率可达90%以上。

随着人类环保意识的不断加强,对于生存的环境,特别是对空气、水等净化密切相关的活性炭等环保材料的性能要求越来越高,粒状或粉状活性炭已能很好满足使用要求。传统的活性炭是一种粒状或粉状的炭材,自20世纪初实现工业化生产以来,在分离及净化水及其它液体的除臭、净化等方面得到广泛应用。粒状或粉状的结构,它的吸附速度较慢,分离效率不高,特别是它的物理形态在应用时有许多不便,限制了应用范围。

活性炭纤维孔径小且分布窄,吸附速度快,吸附量大,容易再生。与粉状(5nm~30nm)活性炭相比,活性炭纤维在使用过程中产生的微粉尘少,可制成纱、线、织物、毡等多种形态的制品,使用时更加灵活方便。活性炭纤维被认为是21世纪最优秀的环保材料之一,在气体和液体净化、有害气体及液体吸附处理、溶剂回收、功能电极材料等方面已得到成功应用。

吸附能力:

含碳纤维高温活化后,纤维表面布满微孔(即氢、氧原子挥发前所占位置),其孔径为一根头发丝的十万

图片6.png活性炭纤维吸附功能对比

分之一,把这些微孔的内表面展开,1g活性碳纤维毡的展开面积高达1600m2,这是这些微孔起到了吸附气味的作用。从物理学可知,物体的表面对外存在引力,表面越大吸附力越大,活性碳纤维正是通过这种范德华力的作用吸附周边分子并牢固与微孔之中。

吸附功能对比表:

图片7.png

粉末活性炭(Pac)<活性炭棒(CTO)<颗粒活性炭(GAC)<碳纤维(ACF)

再生方法:

活性炭纤维毡久用之后,微孔会被填满,致使吸附能力有所下降。使用某种办法可使吸附质的动能增加,摆脱引力,自活性碳纤维中逸出(不能完全解吸)。此时活性炭纤维的吸附功能即可复原,重复使用。活性炭纤维脱附再生的方法很多,如热蒸汽解吸法、氮气解吸法等,有机废气治理中常用热蒸汽解吸法。工业上的解吸需要专门装置,而一般民品只需晾晒或电热吹风即可。

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关键词:纤维吸附回收,活性炭纤维回收,活性炭纤维吸附回收

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