活性炭纖維(ACF)是以有機纖維為先驅(qū)體通過不同途徑而制得的一種新型功能性纖維,做為繼粉狀活性炭和粒狀活性炭之后的第三代產(chǎn)品的新型功能吸附材料具有成型性好,耐酸、堿,電導(dǎo)性與化學(xué)穩(wěn)定性好等特點.其不僅比表面積大、孔徑適中、分布均勻及吸附速度快,而且具有不同的形態(tài).活性炭纖維在催化、吸附方面具有獨特的性能特征,其本身所具有的特性與孔結(jié)構(gòu)、孔分布、微孔表面積以及表面化學(xué)等使之具有極大的開發(fā)價值.目前,納米ACF已廣泛應(yīng)用在化學(xué)產(chǎn)業(yè)、環(huán)境保護、輻射防護、電子產(chǎn)業(yè)、醫(yī)用、食品衛(wèi)生等方面,而且越來越受到人們的關(guān)注,其應(yīng)用遠景相當廣闊。
一、主要性能
ACF是一種表面納米粒子,具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)與納米空間混合的體系.其纖維直徑細,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(tài),孔隙直接開口在纖維表面,其吸附質(zhì)到達吸附位的擴散路徑短,且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個數(shù)目級。
二、結(jié)構(gòu)
ACF具有微孔形結(jié)構(gòu),微孔半徑在2nm以下,其孔徑分布窄,特殊的細孔呈單分散分布,由不同尺寸的微細孔隙組成其結(jié)構(gòu),并且中孔、小孔擴散呈現(xiàn)出多分散型分布,在各細孔結(jié)構(gòu)中的差別較大,其主要原因在于原料的不同.在ACF中無大孔,只有少量的過渡孔,微孔分布在纖維表面,其吸附速率快,ACF絲束的空間起大孔作用,對氣相與液相物質(zhì)具有較好的吸附作用,其外比表面積大,吸脫速度快,為粒徑活性炭10~100倍.隨著比表面積增大,細孔的均勻孔徑隨之增大,細孔容積增加,在細孔內(nèi)發(fā)生吸附后充填細孔內(nèi).其比表面積增大吸附容量大,為粒狀活性炭的10倍,可吸附處理低濃度廢氣或具有高活性的物質(zhì).ACF的體積密度小,濾阻小、可吸附粘度較大的液態(tài)物質(zhì),且動力損耗小.
三、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)
ACF固體表面原子呈不飽和結(jié)構(gòu),具有獨特的表面化學(xué)性能,微晶在燃燒溫度低時易與氧化介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)天生氧化產(chǎn)物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基團,及含硫基、氮元素、鹵素等官能團.其表面酸性與吸附平衡有密切的關(guān)系.按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(1UPAC)的分類標準,吸附劑的細孔分為三類:孔徑大于50nm的為大孔,2nm~50nm的為中孔,0.8nm~2nm的為微孔以及小于0.8nm的為亞微孔.ACF的孔主要是亂層結(jié)構(gòu)炭和石墨微晶形成的微孔.微孔的大量存在使ACF的表面積增大,同時也使其吸附量進步.吸附劑中的大孔是作為被吸附分子到達吸附位的通道,它控制著吸附速度;ACF其纖維直徑一般在10nm~13nm、外表面積大、微孔豐富且分布窄、易于與吸附質(zhì)接觸、擴散阻力小,所以其吸脫附速度快,有利于吸附分離.而且,可以根據(jù)需要制成氈、布、紙等各種形態(tài),適應(yīng)于多種用途.ACF是由CF活化而成.CF為多晶亂層石墨結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)化成ACF后,結(jié)構(gòu)基元不變化.ACF是非均勻性的多相結(jié)構(gòu).由于高溫水蒸氣將部分原子脫往后形成微孔結(jié)構(gòu)使之天生羧基、羰基等含氧活性基團,使其表面的酸性增加活性炭.比表面積約為1 200m2/g,遠大于CF,在苛刻條件下活化時可達3 000m2/g.ACF為分布狹窄單一孔徑的微孔結(jié)構(gòu),其孔可以產(chǎn)生毛細管的凝聚作用.由于具有微孔,其吸附、脫附速率遠大于兩個數(shù)目級,吸附量大.在填充床中流體的床層阻力小,可作為催化劑與催化劑載體使用在ACF分子內(nèi)的痕量雜原子為磷、氮、氯等.在活化時,部分雜原子被脫往后,表面的雜質(zhì)大大減少.由于活化中氧化氣體的作用,表面含氧基團增強,主要有酸性基團,如羧基等.中性基完備如羰基、內(nèi)酯基等.堿性基團有過氧化基等.ACF會因活化的方法不同,而天生不同表面含氧基與表面酸堿性不同的產(chǎn)物.在水的作用下,其氧化還原能力更強.由于水的存在可以使一些基團氧化成羥基.由此在表面含氧基團數(shù)目增加后,表面氧化還原容量增大.
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