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1、关于活性炭关于活性炭纤维第1页，讲稿共20张，创作于星期二 活性碳纤维（活性碳纤维（ACF），亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活），亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过性吸附材料和环保工程材料。其超过50%的碳原子位于内外表面，构筑成独特的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。的吸附结构，被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和
2、较大的吸附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状，并具有耐酸碱耐腐蚀特附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状，并具有耐酸碱耐腐蚀特性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。目前已在环境保护、催化、性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。目前已在环境保护、催化、医药、军工等领域得到广泛应用。医药、军工等领域得到广泛应用。自自1962年美国专利首次涉及随后美国年美国专利首次涉及随后美国ORNL使用活性碳纤维过滤放射性使用活性碳纤维过滤放射性碘辐射以来，不同前驱体有机纤维及其活性炭纤维的研究和应用得到碘辐射以来，不同前驱体有机纤维及其活性炭纤维的研究和应用
3、得到快速发展。美国、英国、前苏联、特别是日本，是研究和使用快速发展。美国、英国、前苏联、特别是日本，是研究和使用ACF的大的大国，年产量近千吨。国内的国，年产量近千吨。国内的ACF研究起始于研究起始于80年代末期，到年代末期，到90年代后期陆续年代后期陆续出现工业化装置。大多处于实验室研究阶段。出现工业化装置。大多处于实验室研究阶段。definition 第2页，讲稿共20张，创作于星期二development阶段一阶段一 阶段二阶段二在活性碳的发展历史中，从最初的粉状活性炭到后来的各种形状的颗粒活性碳，使活性在活性碳的发展历史中，从最初的粉状活性炭到后来的各种形状的颗粒活性碳，使活性碳的应用
4、更广泛，更便捷，再生更容易。但是，活性碳在吸附能力、吸附速度仍有许多碳的应用更广泛，更便捷，再生更容易。但是，活性碳在吸附能力、吸附速度仍有许多不足之处，另外，在工程中传统的活性炭在吸附层中出现松动和沟槽，有时出现吸附层不足之处，另外，在工程中传统的活性炭在吸附层中出现松动和沟槽，有时出现吸附层过分密实，导致流体阻力增大，从而影响正常操作过分密实，导致流体阻力增大，从而影响正常操作 在在20世纪世纪60年代初期，人们开始探索用有机纤维为原料制备活性炭纤维，在高性年代初期，人们开始探索用有机纤维为原料制备活性炭纤维，在高性能碳纤维研究的基础上，这种新型的碳吸附材料得以问世。它与传统的活性碳相能碳
5、纤维研究的基础上，这种新型的碳吸附材料得以问世。它与传统的活性碳相比，具有独特的微孔结构，并兼具有纤维的各种特性，给工程应用和工艺设备的比，具有独特的微孔结构，并兼具有纤维的各种特性，给工程应用和工艺设备的优化创造了条件。活性碳纤维的优异性能和广泛的应用前景，促使活性碳纤维的优化创造了条件。活性碳纤维的优异性能和广泛的应用前景，促使活性碳纤维的研究、开发和应用取得了飞速的发展。研究、开发和应用取得了飞速的发展。第3页，讲稿共20张，创作于星期二properties 性能特征其它性能其它性能吸附特性吸附特性电性能电性能 氧化还原性能氧化还原性能 第4页，讲稿共20张，创作于星期二活性碳纤维是一种
6、典型的微孔炭，被认为是活性碳纤维是一种典型的微孔炭，被认为是“超微粒子、表面不超微粒子、表面不规则的构造以及极狭小空间的组合规则的构造以及极狭小空间的组合”，直径为，直径为10-30 um。孔。孔隙直接开口于纤维的表面，超微粒子以各种方式结合在一起，隙直接开口于纤维的表面，超微粒子以各种方式结合在一起，形成丰富的纳米空间，形成的这些空间的大小与超微粒子处形成丰富的纳米空间，形成的这些空间的大小与超微粒子处于同一个数量级，从而造就了较大的比表面积。其含有的许于同一个数量级，从而造就了较大的比表面积。其含有的许多不规则结构多不规则结构杂环结构或含有表面官能团的微结构，杂环结构或含有表面官能团的微结
7、构，具有极大的表面能，也造就了微孔相对孔壁分子共同具有极大的表面能，也造就了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供了一个吸附态分子物理作用形成强大的分子场，提供了一个吸附态分子物理和化学变化的高压体系。使得吸附质到达吸附位的扩和化学变化的高压体系。使得吸附质到达吸附位的扩散路径比活性炭短、驱动力大且孔径分布集中，这是散路径比活性炭短、驱动力大且孔径分布集中，这是造成活性碳纤维比粒状活碳比表面积大、吸脱附速率造成活性碳纤维比粒状活碳比表面积大、吸脱附速率快、快、吸附效率高的主要原因。另外，活性碳纤维表面含有一系吸附效率高的主要原因。另外，活性碳纤维表面含有一系列活性官能团，主要是含氧官能
8、团，如经基、碳基、梭基等。列活性官能团，主要是含氧官能团，如经基、碳基、梭基等。有的活性碳纤维还含有胺基、亚胺基以及磺酸基等官能团。有的活性碳纤维还含有胺基、亚胺基以及磺酸基等官能团。所以，活性炭纤维还具有独特的吸附选择特性。所以，活性炭纤维还具有独特的吸附选择特性。chemicalstructure 全部由Micropore组成-如图所示，拥有一定的比例及多量的微孔，所以吸附速度快，每单位重量的吸附量大。第5页，讲稿共20张，创作于星期二Dielectricproperties 活性碳纤维同碳纤维一样具有优良的导电性能。在蓄氢电池中，作为二次电极。在双层电容器中也得到了应用。蓄氢电池蓄氢电池
9、双层电容器双层电容器第6页，讲稿共20张，创作于星期二oxidation-reduction ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.Click to add TitleClick o add Title 活性活性活性活性碳碳碳碳纤维的氧化还原功能是活性纤维的氧化还原功能是活性纤维的氧化还原功能是活性纤维的氧化还原功能是活性碳碳碳碳纤维的重要特性之一，这一特性纤维的重要特性之一，这一特性纤维的重要特性之一，这一特性纤维的重要特性之一，这一特性在其从溶液中吸附金属离子时表现最明显。活性在其
10、从溶液中吸附金属离子时表现最明显。活性在其从溶液中吸附金属离子时表现最明显。活性在其从溶液中吸附金属离子时表现最明显。活性碳碳碳碳纤维不仅可以作为纤维不仅可以作为纤维不仅可以作为纤维不仅可以作为还原剂，也可成为氧化剂，这取决于所用体系的电位高低。还原剂，也可成为氧化剂，这取决于所用体系的电位高低。还原剂，也可成为氧化剂，这取决于所用体系的电位高低。还原剂，也可成为氧化剂，这取决于所用体系的电位高低。X X一一一一射线衍射和射线衍射和射线衍射和射线衍射和XPSXPS研究的结果表明，活性炭纤维能将一些电极电位较高研究的结果表明，活性炭纤维能将一些电极电位较高研究的结果表明，活性炭纤维能将一些电极电
11、位较高研究的结果表明，活性炭纤维能将一些电极电位较高的离子还原为零价或低价金属。例如将水溶液中的离子还原为零价或低价金属。例如将水溶液中的离子还原为零价或低价金属。例如将水溶液中的离子还原为零价或低价金属。例如将水溶液中AuAu3 3、AgAg1 1、PtPt4 4、HgHg2 2、FeFe3 3分别还原为分别还原为分别还原为分别还原为AuAu、AgAg、PtPt2 2或或或或PtPt、HgHg1 1、FeFe2 2，在大多数情况下，氧化还原促进吸附量大大提高。利用活性炭，在大多数情况下，氧化还原促进吸附量大大提高。利用活性炭，在大多数情况下，氧化还原促进吸附量大大提高。利用活性炭，在大多数情
12、况下，氧化还原促进吸附量大大提高。利用活性炭纤维的氧化还原特性，可用于微量纤维的氧化还原特性，可用于微量纤维的氧化还原特性，可用于微量纤维的氧化还原特性，可用于微量AuAu3 3等贵金属的富集和分析，等贵金属的富集和分析，等贵金属的富集和分析，等贵金属的富集和分析，贵金属的回收和冶炼，治理高价有毒有害废水，循环水处理，制贵金属的回收和冶炼，治理高价有毒有害废水，循环水处理，制贵金属的回收和冶炼，治理高价有毒有害废水，循环水处理，制贵金属的回收和冶炼，治理高价有毒有害废水，循环水处理，制备载体催化剂，制造电容电池的电极，制造纳米金属等。备载体催化剂，制造电容电池的电极，制造纳米金属等。备载体催化
13、剂，制造电容电池的电极，制造纳米金属等。备载体催化剂，制造电容电池的电极，制造纳米金属等。第7页，讲稿共20张，创作于星期二otherproperties 与传统的活性碳相比活性炭碳维的独特之处有与传统的活性碳相比活性炭碳维的独特之处有:活性碳纤维的直径活性碳纤维的直径细，一般为细，一般为10一一30 um，与被吸附物的接触面积大，而且可以均，与被吸附物的接触面积大，而且可以均匀接触、吸附，使得材料充分利用，效率提高。外表面积大、吸脱匀接触、吸附，使得材料充分利用，效率提高。外表面积大、吸脱附速率快、吸附容量大，可吸附处理低浓度废气或具有高活性的有附速率快、吸附容量大，可吸附处理低浓度废气或具
14、有高活性的有机物质。孔径分布窄，主要以微孔、亚微孔为主，可以通过工艺调机物质。孔径分布窄，主要以微孔、亚微孔为主，可以通过工艺调整孔径大小与被吸附物质的分子尺寸相匹配，从而达到分离的日的。整孔径大小与被吸附物质的分子尺寸相匹配，从而达到分离的日的。体积密度小、扩散阻力小、动力消耗少，可以吸附粘度较大的液体体积密度小、扩散阻力小、动力消耗少，可以吸附粘度较大的液体物质。漏损少、吸附层薄，可制成轻小型设备，强度高、不容易粉物质。漏损少、吸附层薄，可制成轻小型设备，强度高、不容易粉化，可任意加工成所需要的形态，操作简便安全、节能经济化，可任意加工成所需要的形态，操作简便安全、节能经济 第8页，讲稿共
15、20张，创作于星期二活性碳纤维的活性碳纤维的脱硫性能脱硫性能 用作氧化还原剂用作氧化还原剂 水净化有特殊功水净化有特殊功能能 用于溶剂回收用于溶剂回收 其他应用其他应用 活性碳纤维对水活性碳纤维对水中重金属离子的中重金属离子的吸附吸附 应用应用 application 第9页，讲稿共20张，创作于星期二脱硫性能脱硫性能 众所周知众所周知,排放于大气中的排放于大气中的SO2 已对大气环境造成严重污染已对大气环境造成严重污染,对人类、动物和植物的生对人类、动物和植物的生存构成严重威胁。排放的存构成严重威胁。排放的SO2 主要来源于燃煤燃油发电、矿物冶炼、石油炼制以及主要来源于燃煤燃油发电、矿物冶炼
16、、石油炼制以及H2SO4 的生产等。煤炭作为能源的生产等。煤炭作为能源,其转化利用的主要途径即是燃烧。但煤的大量燃烧其转化利用的主要途径即是燃烧。但煤的大量燃烧,将使大气呈煤烟型污染将使大气呈煤烟型污染,由此造成对农业、林业和材料破坏的经济损失由此造成对农业、林业和材料破坏的经济损失,而且也严重危害人体健而且也严重危害人体健康。因此治理康。因此治理SO2 污染对控制煤烟型大气污染具有十分重要的意义。污染对控制煤烟型大气污染具有十分重要的意义。活性碳纤维活性碳纤维(ACF)是一新型的高效吸附剂和催化剂。与常规活性炭比是一新型的高效吸附剂和催化剂。与常规活性炭比,ACF 具有较快的吸具有较快的吸附
17、速度附速度,其绝大多数孔直接开口于表面其绝大多数孔直接开口于表面(图图1),图图1 ACF 与与GAC 的的孔孔结结构构第10页，讲稿共20张，创作于星期二脱硫性能脱硫性能使吸附质分子不需穿过象活性炭上的大孔、中孔而直接到达微孔的吸附使吸附质分子不需穿过象活性炭上的大孔、中孔而直接到达微孔的吸附部位部位,缩短了吸附行程。再者缩短了吸附行程。再者ACF 的外表面积大的外表面积大,在外面的孔口多在外面的孔口多,容易使分子吸容易使分子吸附和脱附附和脱附,且孔径分布窄且孔径分布窄(图图2)。图图2 ACF 与与GAC 的孔径分布的孔径分布第11页，讲稿共20张，创作于星期二脱硫性能脱硫性能因此因此AC
18、F 具有常规活性碳无法比拟的优越性具有常规活性碳无法比拟的优越性,较典型的例子是将较典型的例子是将ACF应用于烟气脱硫。应用于烟气脱硫。ACF 连续脱除烟气中连续脱除烟气中SO2 的原理如下的原理如下(见图见图3)。图图3 脱硫反应原理图脱硫反应原理图SO2在在ACF 上吸附后在上吸附后在O2 存在下被催化氧化为存在下被催化氧化为SO3,SO3再与烟气中的水蒸气作用再与烟气中的水蒸气作用形成形成H2 SO4,后者被后者被ACF 上冷凝的过量水洗脱上冷凝的过量水洗脱,从而空出从而空出SO2 吸附部位吸附部位,使使SO2 的吸附、的吸附、氧化、水合及氧化、水合及H2SO4的解吸等循环连续不断地进行
19、下去的解吸等循环连续不断地进行下去,这样既可避免炭材料由于磨这样既可避免炭材料由于磨损或再生导致碳的损耗及活性的下降损或再生导致碳的损耗及活性的下降,也可避免对炭材料的频繁再生也可避免对炭材料的频繁再生,从而降低操从而降低操作运行成本。作运行成本。第12页，讲稿共20张，创作于星期二对水中重金属离子的吸附对水中重金属离子的吸附 很多工业生产过程很多工业生产过程,如电镀、采矿、金属冶炼如电镀、采矿、金属冶炼,农药、油漆、农药、油漆、颜料生产和石油炼制等均产生重金属废水颜料生产和石油炼制等均产生重金属废水,若不进行有效处理若不进行有效处理,就会对环境造成严重危就会对环境造成严重危害。处理重金属废水
20、的方法很多害。处理重金属废水的方法很多,如传统的沉淀法、氧化还原法、电解法、离子交换法如传统的沉淀法、氧化还原法、电解法、离子交换法等。研究发现等。研究发现ACF 对水中对水中Cu2、Ni2、Zn2均有一定的吸附效果均有一定的吸附效果,但对但对Cd22 的吸附优于的吸附优于Cu2、Ni2、Zn2。为了考察共存离子对。为了考察共存离子对Cd2 吸附效果的影响吸附效果的影响,用含用含Cu2、Ni2、Zn2 和和Cd2的溶液配制成模拟混合废水的溶液配制成模拟混合废水,ACF 对混合废水的对混合废水的静态吸附结果见表静态吸附结果见表第13页，讲稿共20张，创作于星期二对水净化有特殊功能对水净化有特殊功
21、能 ACF 对水净化有特殊功对水净化有特殊功能能,例如例如,对水质混浊有对水质混浊有明显的澄清作用明显的澄清作用,可以除可以除去水中的异臭、异味去水中的异臭、异味;对对水中含高铁、高锰等水中含高铁、高锰等无机物净化效果明显无机物净化效果明显;对氰、氯、氟、酚等对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达有机化合物去除率达90%以上以上,对细菌有极好对细菌有极好的过滤效果的过滤效果,如大肠杆菌如大肠杆菌去除率达去除率达98%。有人用。有人用ACF 进行了排除地下水进行了排除地下水中氯化物和饮用水源地下中氯化物和饮用水源地下水中三氯甲烷前驱物的研水中三氯甲烷前驱物的研究。究。a Design Digita
22、l Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.第14页，讲稿共20张，创作于星期二溶剂回收溶剂回收 ACF 吸附容量大而且脱附速度快吸附容量大而且脱附速度快,可在回收活性溶剂方面得到应用。这是可在回收活性溶剂方面得到应用。这是因为其吸、脱附速度快因为其吸、脱附速度快,周期短周期短,在吸附过程中很少发生分解或聚合。在吸附过程中很少发生分解或聚合。而且脱附温度低而且脱附
23、温度低,容易脱附而且彻底容易脱附而且彻底,残留在吸附床中的被吸附物质少残留在吸附床中的被吸附物质少,减少了结焦或积炭的概率。因此用减少了结焦或积炭的概率。因此用ACF 回收有机溶剂的质量要比用回收有机溶剂的质量要比用活性炭高活性炭高,而解吸操作简单省时。如在回收质量分数为而解吸操作简单省时。如在回收质量分数为 2 000 106 的含酮混合溶的含酮混合溶AC剂中剂中,回收率达回收率达98%在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯烯的应用中的应用中,回收率均高于回收率均高于97%。第15页，讲稿共20张，创作于星期二用作氧化还原剂用作氧化还原剂 氧化还原功能是氧化还原功能是AC
24、F 的基本特征之一。曾汉民等对此开展了大量的的基本特征之一。曾汉民等对此开展了大量的研究工作研究工作,取得了一系列重要成果。取得了一系列重要成果。ACF可以作还原剂可以作还原剂,也可成为氧也可成为氧化剂。与普通还原剂不同化剂。与普通还原剂不同,ACF 对不同的氧化金属离子具有不同对不同的氧化金属离子具有不同的氧化还原容量。与弱氧化性的金属离子反应后的的氧化还原容量。与弱氧化性的金属离子反应后的ACF 还可进还可进一步与强氧化性离子进行氧化还原反应。由于一步与强氧化性离子进行氧化还原反应。由于ACF 对对Au3+、Ag+、Pd4+等贵金属离子具有较好的氧化还原吸附性能等贵金属离子具有较好的氧化还
25、原吸附性能,能够将高价态能够将高价态金属离子还原成低价态金属离子还原成低价态,以至单质金属以至单质金属,而且所得单质金属呈纳米而且所得单质金属呈纳米状态负载于状态负载于ACF 上。因此在贵金属的回收、分离及其再利用上。因此在贵金属的回收、分离及其再利用等领域得到广泛应用。等领域得到广泛应用。第16页，讲稿共20张，创作于星期二其他应用其他应用ACF 还可用于制作防化用品还可用于制作防化用品,用于人造肾脏、肝脏的吸附剂及生物固定酶用于人造肾脏、肝脏的吸附剂及生物固定酶,用于制造用于制造高性能的电容和电池的电极高性能的电容和电池的电极,还可以用于水果蔬菜保鲜。还可以用于水果蔬菜保鲜。第17页，讲稿
26、共20张，创作于星期二发展前景发展前景 由于碳纤维内较小的扩散阻力，与传统的粒状吸附剂相比，由于碳纤维内较小的扩散阻力，与传统的粒状吸附剂相比，活性炭纤维具有较快的吸附动力学。因此，应用活性碳纤活性炭纤维具有较快的吸附动力学。因此，应用活性碳纤维可以使吸附设备小型化井可以有效地回收有价值的组分。维可以使吸附设备小型化井可以有效地回收有价值的组分。在活性碳纤维床中，控制动态吸附行为的机理是床中流体在活性碳纤维床中，控制动态吸附行为的机理是床中流体的轴向扩散，通过使用纤维床中轴向扩散的关联式，可以的轴向扩散，通过使用纤维床中轴向扩散的关联式，可以估价纤维床的穿透曲线。估价纤维床的穿透曲线。活性碳纤
27、维的其它诱人特性是其具有较单一的孔结构且其表活性碳纤维的其它诱人特性是其具有较单一的孔结构且其表面性质较容易被理解。与活性碳相似，活性碳纤维用作吸附和面性质较容易被理解。与活性碳相似，活性碳纤维用作吸附和催化反应似乎是可行的。催化反应似乎是可行的。若以建立纤维吸附剂的应用为目的，仍有许多难题有待研究，若以建立纤维吸附剂的应用为目的，仍有许多难题有待研究，其中包括用过的纤维吸附剂以较小的成本再生及再生方法的建其中包括用过的纤维吸附剂以较小的成本再生及再生方法的建立等，进一步的细加工，如功能吸附剂的开发立等，进一步的细加工，如功能吸附剂的开发:较高等级的结构较高等级的结构优化等，将会为这种具有较高价值的吸附剂提供更广阔的应用优化等，将会为这种具有较高价值的吸附剂提供更广阔的应用领域领域 第18页，讲稿共20张，创作于星期二产品产品本品含有高效吸咐材料本品含有高效吸咐材料-活性炭纤维，可快速吸除脚部异味，有良好活性炭纤维，可快速吸除脚部异味，有良好的吸湿，抑菌，除臭功效，并能利用人体热量产生远红外功能。的吸湿，抑菌，除臭功效，并能利用人体热量产生远红外功能。第19页，讲稿共20张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第20页，讲稿共20张，创作于星期二