新型活性炭纖維過濾材料的研究和應(yīng)用

張愛旭　趙世懷　趙曉明

摘 要：活性炭纖維能有效去除有機(jī)污染物，采用濕法成型技術(shù)制備的活性炭纖維濾餅具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效網(wǎng)孔直徑不受纖維直徑的約束，在一定區(qū)域內(nèi)可連續(xù)、可調(diào)控，空隙率可在30%～95%任意選擇，并且制造成本低。通過對(duì)甲醇動(dòng)態(tài)吸附作用的測(cè)試，與濾材市場(chǎng)上常見的活性炭纖維氈和纖維網(wǎng)相比，活性炭纖維濾餅顯示出了更好的吸附效率和飽和吸附量。所以，可以將這種濾餅應(yīng)用到防毒面具、空氣凈化器、工業(yè)廢氣凈化和汽車尾氣等從個(gè)人防護(hù)到空間防護(hù)，從工業(yè)生產(chǎn)到民用凈化等各個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：活性炭纖維；濕法成型；甲醇；吸附性能

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.006

隨著有機(jī)化工產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，排入大氣中的有機(jī)污染物也越來越多，尤其是低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）越來越多。這些污染物主要來源于石油化工行業(yè)所排放的廢氣以及造紙、油漆、涂料、采礦和紡織等行業(yè)所排放的有機(jī)溶劑，不僅污染環(huán)境，還會(huì)危害人體健康?；钚蕴坷w維（ACF）作為一種新型的功能性纖維，對(duì)有機(jī)物有非常好的吸附作用。它是以有機(jī)纖維為前驅(qū)體，經(jīng)過高溫碳化和活化制備而成，與粉狀活性炭和粒狀活性炭相比，其具有成型性好、耐酸堿、電導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。ACF表面具有狹縫型納米孔結(jié)構(gòu)，孔徑一般在4 nm以下，其孔徑分布均勻，比表面積達(dá)1 000 m2/g以上，吸脫速率快，為粒狀活性炭的10～100倍。由于其具有超大比表面積、發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、吸附脫附速度快和吸附容量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、廢水處理、溶劑回收和貴金屬回收等方面。目前，市場(chǎng)上常見的活性炭纖維吸附材料主要包括活性炭纖維氈、紙和網(wǎng)等。但是，現(xiàn)有的活性炭纖維制品大多存在機(jī)械強(qiáng)度低、密度小，不利于工程化應(yīng)用和吸附凈化裝置的小型化等問題，因此，研究開發(fā)高效率、高密度硬質(zhì)活性炭纖維產(chǎn)品是勢(shì)在必行的。本文介紹了一種采用濕法成型技術(shù)制備出大孔隙率、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度比較高的活性炭纖維濾餅，以對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)影響最大的甲醇為過濾對(duì)象。采取空氣鼓泡法和稀釋法，以39～65 mg/m3蒸氣的質(zhì)量濃度（停留30～60 min會(huì)產(chǎn)生生命危險(xiǎn)）為甲醇的初始質(zhì)量濃度，科學(xué)、有效地比較活性炭纖維氈、活性炭纖維網(wǎng)和活性炭纖維濾餅的吸附效率、飽和吸附量和總體吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

先將直徑為15～20 ?m的活性炭纖維剪切成長(zhǎng)度為2～10 mm的短纖維分散到溶劑中，加入一定比例的纖維濾餅固型劑，將其攪拌成均勻的漿液放入濕法成型器中進(jìn)行成型操作，最后烘焙。通過對(duì)活性炭纖維、固型劑和溶劑的不同配比和烘焙工藝的控制，可以制成不同孔隙率、孔徑和強(qiáng)度的濾餅，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

利用自組裝的動(dòng)態(tài)吸附系統(tǒng)測(cè)試所制備的活性炭濾餅對(duì)甲醇的吸附性能。該系統(tǒng)將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的一定流量的空氣作為甲醇載體，通過盛有分析純甲醇的鼓泡容器產(chǎn)生飽和蒸汽壓濃度的甲醇/空氣混合氣體，并將其稀釋到甲醇質(zhì)量濃度為4.5%（導(dǎo)致生命危險(xiǎn)的質(zhì)量濃度上限），然后進(jìn)入放有活性炭纖維濾層的管式吸附器。經(jīng)過過濾的混合氣體部分進(jìn)入帶有甲醇傳感器的氣體檢測(cè)儀，另一部分排放到了廢氣排放系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)分別對(duì)活性炭纖維氈、活性炭纖維網(wǎng)和活性炭纖維濾層做了甲醇的吸附作用和吸附性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

不同成型技術(shù)制備出的活性炭纖維產(chǎn)品厚度不同，纖維氈的厚度一般為3～4 mm，纖維網(wǎng)>4 mm，濕法成型的纖維濾餅為0.5～2.5 mm，所以，導(dǎo)致它們的孔隙率、纖維密度、濾材強(qiáng)度和吸附效率等性能存在差異。濕法成型技術(shù)制備的活性炭纖維濾層不受纖維直徑的影響，具有大空隙率，并且可以同時(shí)裁剪和選擇孔徑。另外，活性炭纖維濾餅三維孔狀結(jié)構(gòu)的有效孔徑在很寬廣的區(qū)域內(nèi)可以連續(xù)調(diào)控。圖1為不同成型技術(shù)制備的活性炭纖維產(chǎn)品。從圖1中可以看出，濕法成型技術(shù)制備的纖維濾餅活性炭纖維分散均勻，無纖維成束現(xiàn)象，活性微孔可以充分暴露于被測(cè)氣體，而且在保證濾餅透氣性良好（足夠的孔隙率）的前提下，有效地提高了單位體積濾材的過濾效率，在快速吸附的情況下增加了吸附量。表1為濕法成型技術(shù)制備的活性炭纖維濾餅與活性炭纖維氈和纖維網(wǎng)對(duì)甲醇吸附作用的性能比較。從表1中可以看出，在相同過濾面積下，活性炭纖維濾餅最薄，單位體積纖維質(zhì)量最低。當(dāng)所測(cè)試?yán)w維濾餅的吸附時(shí)間為530 s、飽和吸附量為112 mg/g時(shí)，相對(duì)應(yīng)的纖維氈和纖維網(wǎng)由于單位體積纖維質(zhì)量高、吸附時(shí)間較長(zhǎng)，其飽和吸附量?jī)H為88 mg/g和70 mg/g。這些數(shù)據(jù)說明，纖維濾餅具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠使纖維徑向全方位均勻分布，不存在纖維成束現(xiàn)象，纖維與纖維僅存在點(diǎn)與點(diǎn)的接觸，使纖維微孔完全暴露于甲醇/空氣混合物中，提供了更多的活性吸附點(diǎn)，達(dá)到了更高的飽和吸附量。同時(shí)，較大的孔隙率使整個(gè)多孔材料床層具有更小的流動(dòng)阻力和高滲透性，進(jìn)而提高了吸附效率。

機(jī)械強(qiáng)度高，具有獨(dú)特的三維孔狀結(jié)構(gòu)，所以，對(duì)甲醇有比較強(qiáng)的吸附效率和吸附量，其吸附性能優(yōu)于市場(chǎng)上常見的活性炭纖維材料，可將其應(yīng)用于空氣凈化、廢氣治理等領(lǐng)域。

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〔編輯：白潔〕