新型活性炭纤维过滤材料的研究和应用

张爱旭　赵世怀　赵晓明

摘 要：活性炭纤维能有效去除有机污染物，采用湿法成型技术制备的活性炭纤维滤饼具有三维网状结构，有效网孔直径不受纤维直径的约束，在一定区域内可连续、可调控，空隙率可在30%～95%任意选择，并且制造成本低。通过对甲醇动态吸附作用的测试，与滤材市场上常见的活性炭纤维毡和纤维网相比，活性炭纤维滤饼显示出了更好的吸附效率和饱和吸附量。所以，可以将这种滤饼应用到防毒面具、空气净化器、工业废气净化和汽车尾气等从个人防护到空间防护，从工业生产到民用净化等各个领域。

关键词：活性炭纤维；湿法成型；甲醇；吸附性能

中图分类号：X51 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.006

随着有机化工产品的广泛应用，排入大气中的有机污染物也越来越多，尤其是低沸点、易挥发的有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）越来越多。这些污染物主要来源于石油化工行业所排放的废气以及造纸、油漆、涂料、采矿和纺织等行业所排放的有机溶剂，不仅污染环境，还会危害人体健康。活性炭纤维（ACF）作为一种新型的功能性纤维，对有机物有非常好的吸附作用。它是以有机纤维为前驱体，经过高温碳化和活化制备而成，与粉状活性炭和粒状活性炭相比，其具有成型性好、耐酸碱、电导性和化学稳定性好等特点。ACF表面具有狭缝型纳米孔结构，孔径一般在4 nm以下，其孔径分布均匀，比表面积达1 000 m2/g以上，吸脱速率快，为粒状活性炭的10～100倍。由于其具有超大比表面积、发达的孔结构、吸附脱附速度快和吸附容量大等优点，被广泛应用于空气净化、废水处理、溶剂回收和贵金属回收等方面。目前，市场上常见的活性炭纤维吸附材料主要包括活性炭纤维毡、纸和网等。但是，现有的活性炭纤维制品大多存在机械强度低、密度小，不利于工程化应用和吸附净化装置的小型化等问题，因此，研究开发高效率、高密度硬质活性炭纤维产品是势在必行的。本文介绍了一种采用湿法成型技术制备出大孔隙率、三维网状结构和机械强度比较高的活性炭纤维滤饼，以对人体的神经系统和血液系统影响最大的甲醇为过滤对象。采取空气鼓泡法和稀释法，以39～65 mg/m3蒸气的质量浓度（停留30～60 min会产生生命危险）为甲醇的初始质量浓度，科学、有效地比较活性炭纤维毡、活性炭纤维网和活性炭纤维滤饼的吸附效率、饱和吸附量和总体吸附性能。

1 实验部分

先将直径为15～20 ?m的活性炭纤维剪切成长度为2～10 mm的短纤维分散到溶剂中，加入一定比例的纤维滤饼固型剂，将其搅拌成均匀的浆液放入湿法成型器中进行成型操作，最后烘焙。通过对活性炭纤维、固型剂和溶剂的不同配比和烘焙工艺的控制，可以制成不同孔隙率、孔径和强度的滤饼，从而满足不同应用领域的需求。

利用自组装的动态吸附系统测试所制备的活性炭滤饼对甲醇的吸附性能。该系统将空气压缩机产生的一定流量的空气作为甲醇载体，通过盛有分析纯甲醇的鼓泡容器产生饱和蒸汽压浓度的甲醇/空气混合气体，并将其稀释到甲醇质量浓度为4.5%（导致生命危险的质量浓度上限），然后进入放有活性炭纤维滤层的管式吸附器。经过过滤的混合气体部分进入带有甲醇传感器的气体检测仪，另一部分排放到了废气排放系统。该实验分别对活性炭纤维毡、活性炭纤维网和活性炭纤维滤层做了甲醇的吸附作用和吸附性能测试。

2 结果与讨论

不同成型技术制备出的活性炭纤维产品厚度不同，纤维毡的厚度一般为3～4 mm，纤维网>4 mm，湿法成型的纤维滤饼为0.5～2.5 mm，所以，导致它们的孔隙率、纤维密度、滤材强度和吸附效率等性能存在差异。湿法成型技术制备的活性炭纤维滤层不受纤维直径的影响，具有大空隙率，并且可以同时裁剪和选择孔径。另外，活性炭纤维滤饼三维孔状结构的有效孔径在很宽广的区域内可以连续调控。图1为不同成型技术制备的活性炭纤维产品。从图1中可以看出，湿法成型技术制备的纤维滤饼活性炭纤维分散均匀，无纤维成束现象，活性微孔可以充分暴露于被测气体，而且在保证滤饼透气性良好（足够的孔隙率）的前提下，有效地提高了单位体积滤材的过滤效率，在快速吸附的情况下增加了吸附量。表1为湿法成型技术制备的活性炭纤维滤饼与活性炭纤维毡和纤维网对甲醇吸附作用的性能比较。从表1中可以看出，在相同过滤面积下，活性炭纤维滤饼最薄，单位体积纤维质量最低。当所测试纤维滤饼的吸附时间为530 s、饱和吸附量为112 mg/g时，相对应的纤维毡和纤维网由于单位体积纤维质量高、吸附时间较长，其饱和吸附量仅为88 mg/g和70 mg/g。这些数据说明，纤维滤饼具有独特的三维网状结构，能够使纤维径向全方位均匀分布，不存在纤维成束现象，纤维与纤维仅存在点与点的接触，使纤维微孔完全暴露于甲醇/空气混合物中，提供了更多的活性吸附点，达到了更高的饱和吸附量。同时，较大的孔隙率使整个多孔材料床层具有更小的流动阻力和高渗透性，进而提高了吸附效率。

机械强度高，具有独特的三维孔状结构，所以，对甲醇有比较强的吸附效率和吸附量，其吸附性能优于市场上常见的活性炭纤维材料，可将其应用于空气净化、废气治理等领域。

参考文献

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〔编辑：白洁〕