活性碳纤维的改性技术及在水处理方面的应用

元 丽，梁 芳，何 冰，张 楠，郑 妍

（沈阳科创化学品有限公司，辽宁沈阳 110144)

活性碳纤维的改性技术及在水处理方面的应用

元 丽，梁 芳，何 冰，张 楠，郑 妍

（沈阳科创化学品有限公司，辽宁沈阳 110144)

综述了活性碳纤维（ACF）的改性方法，其中当前应用最广泛且备受关注的改性方法包括两种，分别是孔结构调整与表面化学改性，最具代表性的则是后者，涉及到的方法有热处理、氧化还原法等一系列较为常见的方法，在此基础上进一步介绍了改性后的活性碳纤维在饮用水、有机废水、重金属废水、焦化废水方面的技术应用。

活性碳纤维；改性；水处理；应用

1 概况

所谓的活性炭纤维被称为ACF，在20世纪60年代兴起，属于碳质吸附剂。从整体角度分析，活性碳纤维是较为新颖的碳质吸附剂，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 活性碳纤维的改性技术

单纯而言，活性碳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，并且不饱和碳原子众多，这样一来，可给予可塑性，尤其是改良之后的活性碳纤维，无论是表面积数量还是种类，均得到改善。经过归纳与总结，活性碳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。

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、碳沉积法等。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，不断增加活性碳纤维的中孔，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

由于活性碳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碳纤维的应用潜力，需要对活性碳纤维进行适当地改性，目前活性碳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。

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，不断提高活性碳纤维的吸附能力。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碳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。氟化后的活性碳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碳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。活性碳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碳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，活性碳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碳纤维改性方法，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，能够发现活性碳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碳纤维表面的氧化，这样可以进一步增加活性碳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]分别对沥青基活性碳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，活性碳纤维的比表面积从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。

3 改性活性碳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碳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

活性碳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，活性碳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，在实验中发现活性碳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，活性碳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

唐登勇等[3]采用活性碳纤维（ACF）吸附处理对硝基苯酚（PNP）生产废水，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。吕松等[4]对ACF处理染料生产废水进行研究，结果表明，用40g ACF处理0.6L燃料生产废水，CODCr可由3 076mg/L降到150mg/L，去除率达95%。

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]采用活性碳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]采用活性碳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，研究了活性碳纤维对石化废水净化的机理。结果表明，活性碳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%。

4 结束语

综上所述，在时代的不断发展下，有关活性碳纤维改性的研究越来越多，然而根据分析与了解得知大多数研究仅仅停留在实验室阶段，并没有真正发挥其作用与价值。除此之外，其成本较高，所以活性碳纤维的价格比较高，且表面结构具有可变性，很多情况下，会导致表面问题与污染物反应机制无法进行深层次研究，所以在这种发展趋势下，需要从实际出发，并针对性地进行探究，对其反应机理展开分析，加强对科学技术的应用，利用新工艺，不断降低生产成本，真正发挥出活性碳纤维的作用与价值。

[1] Shim J W，Park S J，Ryu S K.Effect of modification with HNO3and NaOH on metal adsorption by pitch-based activated carbon fibers[J].Carbon，2001.

[2] 张学军，范国强.活性炭纤维的氧化处理研究[J].环境污染治理技术与设备，2005.

[3] 唐登勇，郑正，郭照冰.活性碳纤维吸附处理对硝基苯酚生产废水[J].化工环保，2009.

[4] 吕松，袁斌，杨晓光，等.染料生产废水的活性炭纤维处理研究[J].东北电力学院学报，1999.

[5] 吴艳林.活性炭纤维处理含镉废水的研究[J].辽宁城乡环境科技，2002.

[6] 肖乐勤，陈霜艳，周伟良.改性活性炭纤维对重金属离子的动态吸附研究[J].环境工程，2011.

[7] 张培，张小平，方益民，等.活性碳纤维对水中喹啉的吸附性能[J].化工进展，2013.

[8] 孟洁，李兰，陈攀.活性碳纤维在石化废水处理中的应用研究[J].中国农村水利水电，2015.

Modification Technology of Activated Carbon Fiber and Its Application in Water Treatment

Yuan Li，Liang Fang，He Bing，Zhang Nan，Zheng Yan

The modification method of activated carbon fiber（ACF）is reviewed.Among them，the most widely used and modified methods include two kinds of modification methods：pore structure adjustment and surface chemical modification.The most representative is the later This paper further introduces the application of modified activated carbon fiber in drinking water，organic wastewater，heavy metal wastewater and coking wastewater.The application of modified carbon fiber in drinking water，organic wastewater，heavy metal wastewater and coking wastewater is also introduced.

activated carbon fiber；modification；water treatment；application

X703

A

1003–6490（2017）11–0095–02

2017–09–18

元丽（1981—），女，辽宁沈阳人，工程师，主要从事化工分析工作。