活性炭 纤维的改性技术及在水处理方面的应用
来源: http://www./   发布时间: 2019-07-09 16:39   54 次浏览   大小:  16px  14px  12px


  所谓的 活性炭纤维被称为ACF,在20世纪60年代兴起,属于炭质吸附剂。从整体角度分

  所谓的 活性炭纤维被称为ACF,在20世纪60年代兴起,属于炭质吸附剂。从整体角度分析,活性炭 纤维是较为新颖的炭质吸附剂,不仅表面积大、微孔丰富、吸附力强,并且自 身所具备的吸附动力学性能比较高,同时,ACF耐酸、碱,耐高温,适应性强,导电性 和化学稳定性好。因此,ACF在废水处理、饮用水 净化等方面得到了广泛的应用。
  2 活性炭 纤维的改性技术
  单纯而言,活性炭 纤维之所以表面积大,反应活性强,主要是 因为自身的纳米孔体系比较丰富,并且不 饱和炭原子众多,这样一来,可给予可塑性,尤其是 改良之后的活性炭纤维,无论是 表面积数量还是种类,均得到改善。经过归纳与总结,活性炭 纤维当前改良主要体现在两点,分别是 对孔结构进行调整以及对表面化学进行改性。

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  2.1 孔结构调整
  理论分析,对孔结 构进行调整主要的方法是将孔体积增大,将微孔比例提高,之所以 进行孔结构调整主要是改变吸附剂直径与分子的尺寸,实现吸 附比例的完善性,提高效率。当前孔 结构调整主要采取的方法众多,应用广 泛的则包括活化法、炭沉积法等。从另外一个角度分析,进行孔 结构调整的时候,主要是 利用磷酸氢二钠与硝酸钙,通过浸 泡与活化的方式,不断增 加活性炭纤维的中孔,当然,还会采 取氯化钠的方法,但是这 种模式下会在一定程度上增加孔隙,无法保 证孔壁的规则性,最为重 要的便是孔结构需要利用其质量比加以控制与改善。
  2.2 ACF表面化学改性
  由于活 性炭纤维的特异吸附性不强,不能满 足人们各式各样的需求。为了更 好地挖掘活性炭纤维的应用潜力,需要对 活性炭纤维进行适当地改性,目前活 性炭纤维表面改性的技术主要包括化学溶液浸渍,热处理,化学气相沉淀,氧化还原法等。

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  2.2.1 化学溶液浸渍
  化学溶 液浸渍是比较常用的一种方法,主要是 将其浸渍在盐溶液之中,这样一 来能够促使纤维表面尽可能的吸附金属离子,并且还 能够及时还原成金属单质,如此方 可应用金属所产生的化学反应,不断提 高活性炭纤维的吸附能力。据了解,在采取 化学溶液浸渍中主要会选择的物品有盐酸、硫酸等,甚至还 有诸多金属化合物溶液。对高比 表面积的活性炭纤维进行了氟化处理和Ni负载,分别研 究改性后样品的储氢性能。氟化后 的活性炭纤维微孔体积减少但是单位体积的储氢量却增加了;而经过Ni负载后 的样品其微孔体积并没有发生改变,但是由于表面负载的Ni的催化活化作用,其储氢 量也大幅度増加。
  2.2.2 热处理
  热处理 可分为高温热处理和微波处理。高温热 处理是指在惰性气氛中通过高温加热的方法使活性炭纤维表面化学性质发生改变的一种改性方法。在高温条件下ACF表面的 官能团迅速分解,造成纤 维的孔结构以及比表面积发生变化,从而达到改性的目的。活性炭 纤维在热处理之后自身的疏水性会得到增加,并且表 面能够释放一定的物质,从本质上分析,虽然热 处理在一定程度上提高了活性炭纤维的氧化反应活性,但是从其他角度探究,自身的 吸附能力还会存在缺陷。与此同时,活性炭 纤维经过热处理之后还可以形成不含氧的碱性物质,形成石墨化,石墨微晶进行游离,使其具备碱性。微波改 性是一种新型的活性炭纤维改性方法,与传统 热处理方法相比,微波改性时间短、能量利用率更高,同时改 性过程中惰性气体消耗量也变少了。使用微波改性法改性ACF,改性结 果显示微波改性后使样品孔容和孔径减小,而且使 其表面产生碱性基团吡喃酮,但是改 性前后等电荷点位并没有发生大的改变。
  2.2.3 化学气相沉淀
  改性方 法不仅包括以上几种,化学气 相沉淀法也是其中具有代表性的方法,并且利 用该方法能够及时引入特殊的官能团。根据相关实验得知,尤其在一定的温度下,可以利 用化学气相沉淀进行处理,比如在 掺杂氮的沥青基的时候,能够发 现活性炭纤维表面的氮含量增多,尤其是 吸附能力不断提高,氮的浓度会不断提升。这样一 来可以进一步增加其吸附量,也会提高亲水性。
  2.2.4 氧化还原法
  根据原理得知,氧化还 原法是应用强氧化剂实现对活性炭纤维表面的氧化,这样可 以进一步增加活性炭纤维自身的物质数量,可不断 增强其表面的极性。当然,氧化还 原法还称为气相法,Shim等[1]分别对 沥青基活性炭纤维进行了硝酸和碱改性研究,结果表明,经过1mol/L的硝酸氧化之后,活性炭 纤维的比表面积从1 462m2/g减少至1 226 m2/g,但是表 面酸性官能团的数量增加至原来的3倍,改性后 的样品离子交换性能增加。张学军等[2]将ACF浸泡在 一定浓度的浓硫酸中使其氧化,经氧化处理后ACF表面的 羧基减少而酚羟基增多,ACF表面含 氧官能团的总量增加,且45min氧化处理后,ACF对乙醇 的吸附量增加了18%,对N-甲基吡 咯烷酮的吸附量提高了近3倍。

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  3 改性活 性炭纤维的在水处理方面的应用
  随着经济的发展,工业废 水和城市生活废水的排放量也逐年增加,可用水逐年减少,目前国 内外利用改性后的活性炭纤维处理废水成为研究热点。
  3.1 ACF在饮用 水处理方面的应用
  四川活性炭纤维对 地下水具有明显的澄清和净化作用,可有效 去除水中的有害物质,还可以 滤除水中的细菌。很多ACF家用净 水器逐渐被开发出来,具有很好的净化效果。另外,在工业用水中,活性炭 纤维还能用于循环冷却水和锅炉用水的净化过程,ACF能有效 去除水中的钙镁离子,起到除污防垢的目的。日本学者对ACF吸附水 溶液中卤代烃曾进行过实用性研究,在实验 中发现活性炭纤维吸附量受到其他因素的影响,比如所吸附的GHGI要远远大于GAC,并且这 一系列的过程不会出现漏吸的现象,也不会 因为粉化发生污染现象。除此之外,活性炭 纤维在低浓度的情况下,对三氯 甲烷等物质有去除的作用,并且经过实验得知,其吸附 速率与吸附容量均要比其他物质更加明显。故此依据这一实验,日本相 关单位开发净水器,甚至还 将河流湖泊的水变为饮用水。
  3.2 ACF在有机 废水处理方面的应用
  考察了 动态吸附和脱附过程。实验结果表明,在298K、pH=4时,最佳进水流量为0.25L/h,ACF的有效吸附量为439.3mg/g,PNP去除率大于99.95%,TOC去除率大于99.5%,脱附率大于99.5%,ACF的吸附-脱附性能稳定。ACF吸附和 电解相结合的工艺能有效去除废水中的有害物质,回收利用PNP和氯化钠,实现了PNP的清洁生产。
  3.3 ACF在焦化 废水处理方面的应用
  石油焦 化化工废水水质成分复杂、水质水量波动频繁、有毒有害物质含量高,对环境造成的威胁大。张培等[7]采用活 性炭纤维静态吸附模拟废水中的喹啉,结果表明,ACF对喹啉的吸附速率快,30min内基本达到平衡,初始浓度较高时,最终吸附容量较大,达210mg/g,低温和pH值小于7时,吸附效果较好。孟洁等[8]采用活 性炭纤维对石化废水进行处理,考察了该材料对CODcr、氨氮、挥发酚、石油类的去除率,研究了 活性炭纤维对石化废水净化的机理。结果表明,活性炭 纤维对石化废水中的CODcr、氨氮、挥发酚、石油类 的去除率分别可高达80.4%、95%、94.6%、67.7%。

 
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