活性炭纖維的制備及其應用進展

黃錦波 邵靈達 祝成炎

（浙江理工大學，浙江杭州，333213）

活性炭纖維是一種密度低，具有許多微孔結(jié)構(gòu)的碳纖維材料?；钚蕴坷w維的多孔結(jié)構(gòu)可以通過吸附作用與主體發(fā)生物理或化學作用，達到消除有色、氣味或有害物質(zhì)的作用，被廣泛應用于食品、醫(yī)療、溶劑回收、飲用水處理、廢氣、廢水處理和燃料電池工業(yè)等領域［1］。活性炭纖維大致可以分為酚醛基活性炭纖維、瀝青基活性炭纖維、粘膠基活性炭纖維、聚丙烯腈基活性炭纖維、生物質(zhì)基活性炭纖維五大類。由于生物質(zhì)基活性炭纖維具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和再生性，受到學者廣泛研究。生物質(zhì)基活性炭纖維廣泛存在于自然界中，有許多科學家通過對廢棄的棉纖維在亞臨界水中制備回收炭微球，以此為廢舊棉纖維的高價值化利用開辟一條新途徑［2-3］。

目前國內(nèi)外學者主要針對活性炭纖維的改性及其應用技術(shù)研究，已取得一些成果。但在紡織領域由于活性炭纖表面微孔結(jié)構(gòu)，使纖維間大分子被破壞，纖維強力較低，難以紡紗織造。本文介紹了活性炭纖維的制備工藝及在環(huán)境治理、醫(yī)療防護和超級電容等方面的應用情況，提出將活性炭纖維制備工藝應用到織物炭化，可以快速得到炭化織物所需要的應用形態(tài)，并保留活性炭纖維原有性能。

1 活性炭纖維制備原理及研究進展

活性炭纖維經(jīng)熱解、活化加工制備而成，具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的化學基團，是特異性吸附能力較強的碳材料?；钚蕴坷w維加工，根據(jù)加工方式的不同可分為物理活化和化學活化。加工過程中通常包括三個階段：預氧化、炭化和活化。活化處理的主要目的是增加碳材料的孔隙度和比表面積，以提高吸附能力。物理活化通常利用空氣、二氧化碳和水蒸氣等在高溫下與碳材料內(nèi)碳原子反應。在化學活化過程中，科研人員通常用H3PO4、ZnCl2、H2SO4、KOH和K2CO3等作為活化劑與碳材料發(fā)生一系列的交聯(lián)或縮聚反應，進而制備出豐富微孔。根據(jù)MARSH Harry［4］研究，在熱解過程中，分子中O、H和N等原子能夠形成氣體，在活化前作為揮發(fā)性氣體產(chǎn)物被消除。殘余的碳元素隨機地在扁平的芳烴層之間形成組和堆，并且由于不規(guī)則性而在片層之間產(chǎn)生間隙。這些層合板可能被焦油和其他分解產(chǎn)物填充或部分堵塞，從而成為無組織的碳。這些混亂的碳首先與氣體在活化過程中發(fā)生反應，使纖維內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，從而改善比表面積，增加吸附劑的容量［5-7］。

活性炭纖維的線性結(jié)構(gòu)以及活性炭的表觀結(jié)構(gòu)使其具有較為廣泛的應用價值。李海紅等［8］以廢舊棉布為原料，以K2CO3為活化劑，經(jīng)化學活化法制備棉纖維基活性炭，在溫度為818℃得到活性炭纖維，其比表面積達1 624.79 m2/g，平均孔徑為2.57 nm，表面官能團種類稀少，活化較徹底。高銀東等［9］以棉纖維為原料，采用ZnCl2為活化劑，通過自黏結(jié)成形法制備成型活性炭，活化溫度為600℃，成型壓強10 MPa，所得棉纖維基活性炭纖維具有豐富的官能團，微觀結(jié)構(gòu)以微孔為主，比表面積為1 743 m2/g，平均孔徑為2.17 nm。

日本可隆工業(yè)株式會社尹浚榮等［10］的發(fā)明公開了一種長絲型活性炭纖維，該長絲型活性炭纖維具有0.88 cN/tex至8.82 cN/tex的強度，具有較高的耐久性。劉瑞來［11］以棉纖維為前驅(qū)體，經(jīng)聚磷酸銨浸泡，通過預氧化和炭化制備棉纖維基活性炭纖維；結(jié)果表明，所制得的棉纖維基活性炭纖維大部分為微孔結(jié)構(gòu)且孔徑分布較寬。燕山大學李秋榮等［12］公開了一種劍麻活性炭纖維的制備方法，該方法采用KOH溶液對炭化劍麻纖維進行浸漬處理，得到浸漬劍麻纖維，然后對浸漬劍麻纖維進行活化處理，得到劍麻活性炭纖維。黃錦波［13］等通過在惰性氣體保護下于850℃制備活性炭織物，其研究表明活性炭織物具有較好的保溫性能，能夠快速達到升溫平衡，減少能耗，具有良好的隔熱性能。

2 應用領域

活性炭纖維由于具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比較面積以及較強的導電性能，被廣泛應用于環(huán)境治理、醫(yī)用防護、超級電容等多個領域［14-15］。

2.1 環(huán)境治理

2.1.1 有機污染物的處理

活性炭纖維經(jīng)表面活化處理，其表面充滿微孔結(jié)構(gòu)，分子間的相互作用力使其較于活性炭保持較好的表觀形狀，因此其被學者廣泛應用于污染物去除的研究中。活性炭纖維不僅可以用于環(huán)境污染治理也能作為環(huán)境治理載體應用。彭勇等［16］提出TiO2光催化技術(shù)與活性炭纖維在水體修復領域的聯(lián)合應用技術(shù)；該技術(shù)指出活性炭纖維在環(huán)境治理中具有很好吸附性能以及穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)，不僅能很好地將有機物吸附到活性炭織物附近，提高污染物降解速度，而且活性炭纖維具有穩(wěn)定化學結(jié)構(gòu)，能長時間起到環(huán)境治理效果。將TiO2負載活性炭纖維表面能產(chǎn)生很好的環(huán)境治理效果，原因在于去除污染物過程中包含了活性炭纖維物理吸附和化學吸附過程。污染物經(jīng)TiO2光解綜合作用，能有效處理工業(yè)廢水以及生活污水。

活性炭纖維可適用于各種有機廢水的處理，如對化工、冶金、煉焦及輕工業(yè)廢水中的顏色、氣味、油份等都能有效地去除；也可去除生物難以降解的物質(zhì)，如氯化物、苯酚等。

2.1.2 重金屬廢水的處理

活性炭纖維較大的比表面積及微孔結(jié)構(gòu)在治理重金屬廢水方面也有很好的應用效果，但常用的普通活性炭纖維的吸附容量并不高，所以需要對活性炭纖維進行目標改性，以提高其吸附能力。ANWAR Jamil等［17］使 用H2SO4和HNO3對活性炭進行氧化改性，結(jié)果表明：經(jīng)HNO3改性后的活性炭因產(chǎn)生更多的吸附位點而對Cr（Ⅵ）的吸附性能大大加強。肖樂勤等［18］也做了相近研究得出相同結(jié)論。姚書恒［19］通過研究微波輔助硝酸氧化改性對黃麻活性炭纖維理化性質(zhì)的影響及其對Pb（Ⅱ）吸附動力學等溫線，結(jié)果表明：微波能使被加熱物體因內(nèi)部偶極分子高頻往復運動而使被加熱物體溫度升高，并能使某些化學鍵因劇烈震蕩而斷裂，促進反應過程的進行。

2.1.3 廢氣處理

在廢氣處理領域，姚煒屹［20］針對活性炭纖維的微孔結(jié)構(gòu)和表面含氧官能團對甲醛吸附性能的影響做了分析，結(jié)果表明：活性炭纖維的比表面積、孔容和孔徑對甲醛吸附性能均有影響；其中，甲醛吸附性能主要由活性炭纖維中孔徑在0.9 nm～1.8 nm之間孔徑數(shù)目和孔容的大小來決定，與總比表面積和孔容大小無關(guān)。周平等［21］用活性炭纖維制成網(wǎng)狀，同活性炭纖維布分別填裝濾芯，其動態(tài)吸附試驗表明活性炭纖維網(wǎng)布具有良好的廢氣吸附效果，活性炭纖維網(wǎng)比活性炭纖維布更適用于大風量有機廢氣治理；但活性炭纖維網(wǎng)和活性炭纖維布機械強度都不高，床層阻力非常大，無法滿足大風量廢氣的治理要求，需要特殊方法加固。

2.2 醫(yī)用領域

活性炭纖維相比于傳統(tǒng)纖維，不僅具有更好的吸濕、吸附等特性，而且具有較好的生物兼容性，可以廣泛應用于醫(yī)用領域?；钚蕴坷w維常用作生物載體與銅、鋅和銀等納米級顆粒結(jié)合能夠制備抗菌效果好，具有透氣、高效吸膿吸臭的新型醫(yī)用敷料。

ASHFAQ M等［22］采用化學氣相沉積法，將銅、鋅納米顆粒負載活性炭纖維，與碳納米纖維制備一種復合材料；該復合材料呈現(xiàn)雙金屬非對稱分布，能夠抑制多種細菌的生長，可用作傷口敷料，促進傷口愈合。劉維春等［23］采用離子交換法制備氧化銀活性炭織物，氧化銀納米顆粒附著在活性炭纖維表面上，制成抗菌敷料；這種抗菌敷料的殺菌性能顯著，研究表明其對直徑較小的細菌同樣具有很好的抑菌效果。熊亮［24］以粘膠纖維為原材料，在纖維表面以化學鍍的方式引入銀成分，制得了含銀活性炭纖維敷料；結(jié)果表明：該敷料具有廣譜抑菌性，良好的吸液性能和生物相容性，作為敷料使用安全有效。劉帥［25］等開發(fā)了一種藻酸鹽/活性炭纖維復合敷料，其具有抗菌、吸液和保濕性能，能更好地促進傷口愈合。

活性炭纖維在醫(yī)用防護領域有其他傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)勢：活性炭纖維應用于醫(yī)用敷料可在3天～5天內(nèi)保持長效抗菌性能，具有較高遠紅外放射性能促進皮膚膠原蛋白的形成及生長因子分泌，具有良好的吸濕性，能夠幫助皮膚恢復合適的濕度。此外，活性炭纖維所織得的織物具有良好的力學性能，確?？椢锸褂美味?。

2.3 超級電容

根據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)，天然纖維通過高溫炭化活化能夠制備活性炭纖維織物。該活性炭纖維織物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有自支撐作用和良好的導電性，可以應用于超級電容器的柔性電極。目前生物基炭纖維，因其高功率密度，快速充電、放電速率和長期穩(wěn)定性而應用于超級電容器領域［26］。曾良鵬［27］采用ZnCl2對棉織物進行預氧化，隨著炭化溫度的升高，棉織物內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐步由混亂轉(zhuǎn)變成有序化。石墨化的層狀結(jié)構(gòu)使活性炭纖維的導電性和穩(wěn)定性得到了提高。經(jīng)HNO3表面改性氧化，活性炭纖維的導電性和穩(wěn)定性得到了提高。LI Hongbao等［28］將純棉織物在惰性氣體中炭化制備活性炭織物，再在活性炭織物上負載納米級MnO2，使其具有良好的電化學性能，可以作為一種價格低廉環(huán)保型電容。許世超等［29］以硝酸鎳和硝酸鈷為金屬源、尿素為堿源，采用水熱法對一步活化法制備出的聚丙烯腈基活性炭纖維進行修飾，使其表面均勻負載海膽狀的鎳鈷氧化物，研究結(jié)果表明：該活性炭纖維改性材料具有較大的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可用作超級電容器電極材料。棉織物作為一種可再生的生物質(zhì)材料，通過炭化處理制備具有多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的活性炭織物，對未來智能儲能服裝發(fā)展具有重要意義。

3 結(jié)語

天然基纖維活化制備活性炭纖維具有廣泛的市場來源，通過活化處理可以制備成活性炭微球、纖維、紗線及織物等。活性炭纖維因其微孔結(jié)構(gòu)及超大比表面積，不但可以作為載體應用于環(huán)境治理，而且具有良好的醫(yī)護性能，通過特定改性應用于超級電容，為智能儲能服裝的開發(fā)提供了可能。但活性炭纖維的產(chǎn)業(yè)化應用卻很低，主要是活性炭纖維自身強度太低，且產(chǎn)品加工方式不同性能相差也較大。產(chǎn)業(yè)化使用往往需要深度加工，增大了使用成本。如何尋找更好、更簡單深加工應用技術(shù)是急需解決的難題。