活性炭纖維應(yīng)用

時(shí)間：2023-03-24 14:04:06來源：food欄目：食品快速檢測(cè) 閱讀：

活性炭纖維應(yīng)用

[db:作者] / 2023-01-05 00:00

[應(yīng)用]ACF適用于各種有機(jī)廢水的處理，可對(duì)含氯廢水、制藥廠廢水、有機(jī)染料廢水、造紙黑液、苯酚廢水、四苯廢水、己內(nèi)酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進(jìn)行處理。其吸附能力比粉狀活性炭的吸附能力高得多，尤其適用于高平衡濃度時(shí)，每克ACF的吸附量約為粉狀活性炭的3倍。其吸附能力隨溫度升高而提高。

(1)染料廢水

ACF可以除去水中的亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫、臭酚藍(lán)等有機(jī)染料分子，其吸附量大，去除率高。對(duì)于不同的染料分子，ACF吸附速率差別很大，陳水挾等對(duì)ACF吸附染料做了大量的研究工作表明，ACF對(duì)亞甲基藍(lán)的靜態(tài)吸附量達(dá)400mg/g，結(jié)晶紫250mg/g，二甲酚橙100mg/g和對(duì)苯二胺250mg/g。

Zhemin Shen等用ACF電極電解降解29種染料，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的染料溶液都能有效脫色，具有—SO3-、COO-、SO2NH2·和—OH等親水基團(tuán)和珍偶氮的染料容易被分解，而具有—C=O、—NH—、芳香基團(tuán)等憎水基團(tuán)的染料易被吸附和絮凝。

(2)造紙黑液

賈金平等進(jìn)行了ACF電極法電解處理造紙黑液的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為7左右、電解80min的條件下，COD、色度去除率分別達(dá)到64.25%和94%。黑液經(jīng)酸析及聚鋁絮凝預(yù)處理后進(jìn)行ACF電極電解，可進(jìn)一步提高COD及色度的去除率。采用“酸化+電解(45min)+Fenton試劑(60min)”的綜合治理方案，上述去除率可分別提高到94.2%和99.6%，出水近乎清澈透明。

(3)高價(jià)重金屬離子廢水

RFu等研究發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下ACF對(duì)Pt4+有很好的還原吸附性能，吸附容量達(dá)500mg/g。陳水挾等用經(jīng)無機(jī)氧化劑改性的ACF吸附Ag+，發(fā)現(xiàn)改性的ACF在堿性條件下對(duì)Ag+的還原吸附容量大大提高，達(dá)550mg/g。

十三嗎啉農(nóng)藥廢水、煉油廢水經(jīng)ACF處理后，COD的去除率分別達(dá)到94%和88.2%；含COD達(dá)10000mg/L的制藥廢水，采用ACF三級(jí)吸附處理，效果很好，凈化效率達(dá)86%以上；含75種以上有機(jī)物、大量無機(jī)物、COD高達(dá)20000～50000mg/L的油頁巖干餾廢水，采用ACF處理，可使出水COD降到1000mg/L以下，凈化效率達(dá)98%以上，同時(shí)提高了BOD5/COD值，為進(jìn)一步生化處理提供可能；生產(chǎn)丙烯酸丁酯的廢水，有機(jī)物含量高，COD達(dá)1.2×105mg/L，可生化性極差，采用傳統(tǒng)的懸浮一澄清一過濾方法處理，根本無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而用ACF處理后COD<1000mg/L，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)到99%以上。

活性炭纖維的吸附特性如下：

①孔徑分布窄且均勻通常ACF的孔尺寸<20A(1A=0.1nm)，大多在8～10A范圍。根據(jù)ACF吸附N2的數(shù)據(jù)，Jaroniec等確定了PAN基的和纖維素基ACF的孔徑尺寸，發(fā)現(xiàn)85%的微孔孔徑在10A左右。事實(shí)上，大量文獻(xiàn)記載的ACF的孔徑尺寸均為10A。ACF具有精細(xì)孔結(jié)構(gòu)以及孔徑分布均勻(或孔徑分布窄)的特征，可能是因?yàn)閮煞矫娴脑驅(qū)е碌摹Ｊ紫龋驗(yàn)榍绑w(聚合體和瀝青)是無灰分的，ACF基本不含灰分。在ACF氣體活化過程中，任何礦物都可能成為具有催化作用的微粒，這些微粒發(fā)揮炭纖維的成孔、隧穿和邊沿縮減等作用，礦物的催化效應(yīng)增大了ACF的孔徑。由于炭纖維具有石墨化結(jié)構(gòu)，在氣化過程中，微孔被拉長而不是加寬，基面上的碳原子沒有活性，不會(huì)氣化，然而邊緣的碳原子是氣化的活化點(diǎn)。此外，邊緣碳原子的反應(yīng)是各向異性的，即齒形邊緣比椅形邊緣更具活性。實(shí)際的石墨基面是由不同結(jié)晶邊緣的復(fù)合而成的，具有不同的反應(yīng)活性。石墨結(jié)構(gòu)基面內(nèi)的間距為3.35A。氣化反應(yīng)從ACF邊緣開始，沿著同一石墨層在相鄰邊緣繼續(xù)。因此微孔兩個(gè)層之間的孔被拉伸，微孔的尺寸約為7A。如果氣化反應(yīng)從兩個(gè)層結(jié)合處上的邊緣原子開始，微孔的尺寸會(huì)局限在兩個(gè)層之間的距離內(nèi)，即10A左右的范圍內(nèi)。所以ACF的孔徑尺寸多為10A。Freeman等一系列發(fā)表的成果表明，為產(chǎn)生更大的孔以及保證均勻孔徑分布，氣體活化前需要加入催化劑。

由于孔隙小、孔尺寸分布均勻，使得ACF與吸附質(zhì)分子間具有很強(qiáng)的相互作用。

②纖維直徑小而均勻ACF的前體是炭纖維。因?yàn)槔w維是采用不同的紡紗技術(shù)制造而成，故可以保證其直徑非常均勻。活化后纖維直徑基本不會(huì)變化，大部分商業(yè)活性炭纖維直徑接近10μm，盡管也有部分活性炭纖維直徑為8～20μm。

纖維直徑小而均勻?qū)ξ健⒚摳竭^程的傳質(zhì)速率有直接和重要的作用。吸附和脫附速率與擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)D/R2(D為擴(kuò)散系數(shù)，尺為半徑)有直接關(guān)系。R2/D的值大約為從初始條件開始，在球形顆粒上完成一個(gè)擴(kuò)散步驟的99%所需的時(shí)間。隨著R值減小，R2/D值急劇下降。ACF僅具有擴(kuò)散距離小于R(即纖維半徑)的微孔，而GAC同時(shí)具有微孔和中孔(大孔)。所以擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)有兩種。Ruckenstein等關(guān)于雙擴(kuò)散孔結(jié)構(gòu)的分析中描述了兩種擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)的相互關(guān)系。所有商業(yè)吸附劑中，因?yàn)榇罂字械臄U(kuò)散距離更長，大孔(球狀吸附劑)擴(kuò)散阻力和微孔一樣很重要。

很多研究報(bào)道了ACF和GAC固定床中VOC的穿透曲線，并且與GAC固定床進(jìn)行了對(duì)比。Schmidt等研究表明，人造絲基ACF從水溶液中吸附亞甲基藍(lán)的速率比顆粒活性炭高2個(gè)數(shù)量級(jí)，比粉末活性炭高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

Suzuki研究了ACF床的軸向擴(kuò)散行為。軸向擴(kuò)散系數(shù)與流速成比例，且不同吸附床的比例常數(shù)可以與床層密度(單位：g/mL)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并隨床層密度的增加而增大。Suzuki利用擴(kuò)散系數(shù)和Freundlich等溫線預(yù)測(cè)了ACF吸附床的穿透曲線。

③石墨化結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率以及高強(qiáng)度在ACF的發(fā)展早期就曾有人指出，由于ACF的高電導(dǎo)率特性，有可能采用原位電再生的方法進(jìn)行再生，而且再生速率比較快。ACF的石墨化結(jié)構(gòu)使其具有高電導(dǎo)率(或低電阻率)。各向同性ACF的電阻率(根據(jù)Ohm定理定義的電阻)為4～6mΩ·cm。這些電阻值僅比石墨電阻率(1.38mΩ.cm)高約3～5倍。

不過ACF布和織物的電阻率較高。Subrenat等定了多種人造絲基ACF織物的電阻率，電阻率值高達(dá)600msΩ·cm。ACF復(fù)合整體塑料制品的電阻率為130mΩ·cm。不同ACF布比較結(jié)果表明，由于孔隙比例較高，電阻率隨比表面積的增加而增加(Subrenat等，2001)。

由于ACF具有高電導(dǎo)率，吸附床可以采用電加熱再生，這種再生方法稱為電熱脫附。很多研究團(tuán)隊(duì)開展過電熱脫附方面的研究。電熱脫附有望在諸如VOC治理等凈化方面得到應(yīng)用，Lordgooei等利用纖維布吸附器對(duì)此做了示范研究。

由于具有石墨化的性質(zhì)，ACF可作為耐熱材料，因?yàn)槠淙紵郎囟雀哌_(dá)1000℃。產(chǎn)生的粉塵/細(xì)粉少也被認(rèn)為是ACF的優(yōu)點(diǎn)之一。

活性炭纖維拉伸強(qiáng)度高，因而可以加工成布、織物、紙、氈以及復(fù)合材料等多種形式。加之具有吸附容量大、吸附速率快的特性，這些材料非常有望用于制造體積小、吸附負(fù)荷大的吸附設(shè)備。例如采用波紋ACF的旋轉(zhuǎn)式吸附器(帶逆流熱再生裝置)已用于從空氣中除去溶劑的示范應(yīng)用。Humphrey和Keller對(duì)這種類型的吸附器或稱整體式吸附劑進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

采用酚醛樹脂作為黏合劑制成的活性炭纖維整體復(fù)合材料可能用于包括氣體分離在內(nèi)的多個(gè)方面。密度小于0.25g/cm3的低密度復(fù)合材料特別有望用于氣體分離和能源儲(chǔ)存(CH4和H4)。Burchell對(duì)這些類型的材料進(jìn)行過詳細(xì)討論。

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