活性炭纖維復(fù)合改性及其吸附性能研究

摘 要：【目的】通過溫和的改良技術(shù)增強(qiáng)聚丙烯腈基活性炭纖維（PAN-ACF）對(duì)二氧化硫（SO）的吸附性能，旨在開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且環(huán)境友好的吸附材料?！痉椒ā恳跃郾╇婊钚蕴坷w維（PAN-ACF）為前驅(qū)體，利用微波加尿素浸泡復(fù)合改性方法對(duì)PAN-ACF進(jìn)行改性處理。【結(jié)果】其中提升PAN-ACF對(duì)SO吸附性能的最優(yōu)改性方法為4%尿素浸泡+8 min中火微波，對(duì)比原片吸附量提升了147.15%。結(jié)合紅外光譜分析和掃描電鏡表征，分析得出復(fù)合改性技術(shù)可以優(yōu)化活性炭纖維結(jié)構(gòu)和負(fù)載的官能團(tuán)，從而增強(qiáng)其吸附性能?！窘Y(jié)論】與傳統(tǒng)改性方法相比，本研究所采用的微波加熱和尿素浸泡改性技術(shù)屬于綠色改性方法，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：聚丙烯腈基活性炭纖維；復(fù)合改性；吸附性能

中圖分類號(hào)：X701；TQ424" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.017

Study on the Composite Modification of Activated Carbon Fiber and Its Adsorption Properties

Abstract：" [Purposes] The adsorption performance of PAN-based activated carbon fiber（PAN-ACF） on sulfur dioxide （SO） was enhanced by a mild modification technique， aiming to develop a cost-effective and environment-friendly adsorbent material. [Methods] PAN-ACF was used as a precursor， and" being PAN-ACF was modified with composite modification methods by using microwave and being soaked in varying concentrations of urea acid. [Findings] Among them， the optimal modification method to improve the adsorption performance of PAN-ACF to SO is soaking them in 4 % urea and" "microwaving them with medium fire for 8 minutes， and by doing so， the absorption capacity is 147.15 % higher than that of the original sheet. Combined with infrared spectroscopy and scanning electron microscopy， it is concluded that the composite modification technology can optimize the structure of activated carbon fiber and the loaded functional groups， thereby enhancing its adsorption. [Conclusions] The microwave heating and urea immersion modification techniques used in this study are green modification methods with better application prospects compared with traditional modification methods.

Keywords：PAN-ACF; composite modification; adsorption performance

0 引言

在以往的研究中，有很多學(xué)者對(duì)活性炭纖維（Activated carbon fiber，ACF）進(jìn)行改性處理，以增強(qiáng)其吸附性能，提高吸附效率［1］。目前較為常見的改性方法主要集中于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、金屬改性［2-3］，然而這些化學(xué)試劑的使用容易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，綠色、無污染、高效的改性方法是目前研究中的重大課題。微波是一種電磁波，可以使碳纖維材料在幾秒內(nèi)快速升溫至300 ℃以上，并發(fā)生氧化反應(yīng)，短短幾分鐘便可使碳纖維達(dá)到理想的氧化改性效果。經(jīng)過微波氧化處理后，碳纖維管發(fā)生膨脹、裂片，使纖維比表面積增大，含氧官能團(tuán)增多，最終提高材料的吸附性能［4-5］。微波處理相對(duì)傳統(tǒng)熱處理而言能夠節(jié)約時(shí)間，減少能源損耗。尿素化學(xué)性質(zhì)溫和，其廢液處理也更容易，能夠節(jié)約生產(chǎn)成本。本研究以聚丙烯腈基活性炭纖維（PAN-ACF）為前驅(qū)體，探究微波熱處理+尿素浸泡復(fù)合改性方法對(duì)ACF-SO2吸附性能的影響，為ACF綠色化改性研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

ACF（青島北海炭素有限公司）；淀粉、碘單質(zhì)、 尿素、乙酸、濃硫酸、無水亞硫酸鈉、氫氧化鈉、氨基磺酸銨、碘酸鉀（均為分析純，西隴科學(xué)股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平（MP10001）；分析天平（SQP）；紅外光譜（WQF-510A）；電熱恒溫干燥箱（GZX-910MBE）； 掃 描 電 子 顯 微 鏡（TESCAN MIRALMS）；格蘭仕微波爐（P70D20TL-D4）。

1.3 SO2的制備及改性ACF的制備

1.3.1 SO2的制備。將30 g K2S2O8放入250 mL 平底燒瓶中，用兩孔橡膠塞塞住上端，插入 100 mL長頸分液漏斗和直角導(dǎo)管。管道的一端連接水箱 以收集尾氣。所有接口用真空潤滑脂密封后用20 mL 濃硫酸填充長頸分液漏斗，并打開長頸分液漏斗活塞。反應(yīng)發(fā)生5 min后，將導(dǎo)管連接到氣體收集袋， 以收集高濃度SO2。

1.3.2 改性ACF的制備。ACF原片前處理：將活性炭纖維氈布裁剪成3 cm×7.5 cm約1 g的方片，放入烘箱120℃ 2 h烘干后，稱重，放入自封袋中，做好標(biāo)記。尿素+微波復(fù)合改性處理ACF：取5片前處理好的ACF，放入4 wt%的尿素溶液中浸泡24 h，后用蒸餾水洗滌ACF至中性后，放入烘箱120℃、2 h烘干，放入微波爐中，調(diào)至中火，微波處理2、4、6、8、10 min，進(jìn)行ACF-SO2吸附性能測試。微波+尿素復(fù)合改性處理ACF：取5片前處理好的ACF，分別用中火微波處理2、4、6 、8 、10 min后，再浸泡到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的尿素溶液中24 h后，用蒸餾水洗滌至中性，放入烘箱中120 ℃ 2 h烘干，進(jìn)行ACF-SO2吸附性能測試。

1.4 ACF-SO2吸附性能測試

首先將改性處理好的ACF放入圖1所示裝置的洗氣瓶內(nèi)，瓶口兩端橡膠管用止水夾夾緊，注入5 mL高濃度SO2，保持密封狀態(tài)48 h后，將洗氣瓶進(jìn)氣口接入裝有單向閥的氣泵，出氣口接上聯(lián)排裝有50 mL吸收液的砂芯吸收瓶。其次打開止水夾，開啟氣泵，控制氣流流速在0.5 L/min，吹1 h。最后將砂芯吸收瓶中吸收液轉(zhuǎn)入碘量瓶中，加入50 ml 2 g/L的淀粉溶液，用0.010 mol/L的碘標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色，記錄消耗體積V1（mL）。ACF-SO2吸附含量計(jì)算方法見式（1）。

式中：K為活性炭纖維吸附SO2含量，mg/g；C0為注射的SO2的濃度，mg/ml；Vnd為注射的SO2體積，mL；C（1/2 I2）為碘標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；V1為活性炭纖維吸附后剩余SO2消耗的碘標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；32.0為1 mL 1 mol/L 碘標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)?shù)亩趸虻馁|(zhì)量，mg；mACF為活性炭纖維的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外表征結(jié)果

PAN-ACF材料經(jīng)過微波+尿素復(fù)合改性處理后的紅外光譜如圖2所示。由圖2可知，與未處理的ACF材料對(duì)比，改性后的PAN-ACF在1 020～1 340 cm-1間出現(xiàn)了伸縮振動(dòng)吸收峰和面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，表明PAN-ACF材料經(jīng)過尿素浸泡處理后可能有氰基（CN）或氮?dú)滏I（NH）生成。在3 000 cm-1左右也出現(xiàn)了伸縮振動(dòng)峰，可能是有氮?dú)滏I（NH）生成，并發(fā)生了偏移，此類官能團(tuán)的增加有助于提升ACF-SO2吸附性能。

PAN-ACF材料經(jīng)過尿素+微波復(fù)合改性處理后的紅外光譜如圖3所示。由圖3可知，與未處理的ACF材料對(duì)比，改性后的PAN-ACF在1 000～1 260 cm-1間的伸縮震動(dòng)峰有所增大，表明PAN-ACF材料經(jīng)過復(fù)合處理后有碳氧鍵（C-O）生成，此類官能團(tuán)的增加有助于提升ACF-SO2吸附性能。lt;D：＼工作＼兼職文件＼雨后＼12月＼河南科技202422＼河南科技202422＼Image＼image4_2.jpeggt;圖3 尿素+微波復(fù)合處理的PAN-ACF材料FT-IR光譜

2.2 SEM表征結(jié)果

經(jīng)過改性后的PAN-ACF的SEM圖如圖4所示。圖4（a）原片表面比較光滑，顆粒物也較少。圖4（b）纖維表面出現(xiàn)了破損、坑洼的現(xiàn)象，明顯增大了PAN-ACF的比表面，表明單改性可以提升PAN-ACF的吸附量。圖4（c）在纖維表面有明顯的腐蝕，并在腐蝕的坑洼處有大量的固體顆粒附著且纖維直徑較小，無膨脹。圖4（d）可以看到，纖維表面開裂，表面粗糙，并且相較于圖4（a）和圖4（b）有明顯的顆粒附著。說明復(fù)合改性能夠進(jìn)一步提升PAN-ACF對(duì)SO2的吸附量，達(dá)到最佳吸附狀態(tài)。

2.3 ACF-SO2吸附性能測試

不同復(fù)合處理后ACF-SO2吸附量數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，經(jīng)過復(fù)合處理后，ACF-SO2吸附量有非常明顯的提升。其中中火微波+尿素浸泡復(fù)合改性條件探究中，6 min中火微波+4%尿素浸泡效果達(dá)到了9.848 mg/g，吸附率提升高達(dá)103.63%。而4%尿素浸泡+8 min中火微波處理后，ACF-SO2吸附量提升高達(dá)11.953 mg/g，吸附率提升高達(dá)147.15%，有著非常好的改性效果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究，ACF先經(jīng)過4%尿素浸泡后，再用中火微波處理8 min可以達(dá)到最佳的改性效果。

復(fù)合處理情況下ACF-SO2吸附量如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過復(fù)合改性處理后，ACF-SO2吸附量有著非常明顯的提升，尤其是ACF先經(jīng)過4%尿素浸泡，再用中火微波處理后，對(duì)SO2的吸附性能更好。

3 結(jié)語

本研究以提升PAN-ACF材料對(duì)SO的吸附效率為目的，從PAN-ACF的結(jié)構(gòu)、吸附原理出發(fā)，結(jié)合綠色、無污染的改性理念，設(shè)計(jì)不同的單改性和復(fù)合改性方法，對(duì)PAN-ACF進(jìn)行改性。結(jié)果表明，先4%的尿素浸泡48 h，然后微波中火處理8 min為最佳的改性方法，ACF-SO2吸附量提升高達(dá)11.953 mg/g，吸附率提升高達(dá)147.15%。并且試驗(yàn)所需試劑和儀器都是實(shí)驗(yàn)室比較常見的，不會(huì)造成環(huán)境污染等問題，適用于工廠大規(guī)模的生產(chǎn)，可應(yīng)用于SO氣體的處理中。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 喬蒙蒙， 辛美音， 付東升， 等. 活性炭纖維的制備及其再生技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 化工與醫(yī)藥工程， 2023， 44（3）： 61-66.

［2］ 黃修行， 諶莉， 李惠， 等. 活性炭纖維用于煙氣脫硫脫硝的研究進(jìn)展綜述［J］. 紅水河， 2020， 39（04）： 35-38.

［3］ JI Y H， WANG X W. Purification performance of modified polyacrylonitrile fiber-activated carbon fiber filter for heavy metal ions［J］. Environ Sci Pollut Res Int，2022，30（9）：23372-23385.

［4］ 郝克， 石焱， 孟令一， 等.活性炭改性方式及其微波脫硫脫硝研究現(xiàn)狀［J］. 河北冶金， 2023（10）： 8-14.

［5］ 王文誠. 微波/活性炭纖維耦合過硫酸鹽預(yù)處理污泥的研究［D］. 南昌： 南昌大學(xué)， 2022.