碳纤维功能材料的应用及其再生的研究进展

杨夯，于晓彩，聂志伟，王力萍，郭美岑，刘京华

(大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023)

ACF是一种新型高性能吸附分离功能材料。传统的碳材料(如活性炭)作为吸附材料吸附速度较慢，分离效率不高，又因为它的物理形态限制使它的应用范围受到了限制。相比之下，ACF由于其较大的比表面积和较好的孔径，在许多方面有着较好的应用[1]，除了作为吸附材料外，ACF还可作为功能材料运用于环境中[2-3]。

ACF造价并不便宜，使用后不加处理投放到环境中会造成二次污染，需要对其进行再生，实现资源的重复使用。目前国内外针对ACF的再生研究较少，有待于进一步发展。

1 ACF功能材料研究的方向

ACF作为功能材料时，主要应用于载体和电极中，因此可以从光催化材料、电极材料、生物材料三个方面介绍。

1.1 ACF复合光催化材料

大部分光催化材料都为纳米级，为了方便使用和回收，在使用时需要进行负载。ACF具有较高的比表面积，是一种较好的载体，ACF作为载体能对污染物进行有效富集、浓缩，还具有光催化协同效应[4-5]，为催化剂提供高浓度反应环境，促进光催化的降解速率。

Yamashita 使用了离化团粒束法制备了TiO2/ACF催化剂，结果表明负载在ACF表面的TiO2没有任何明显的损伤，且能够有效的降解水体中的烷基醇、二氯乙烷[6]。

1.2 ACF电极

常见的电极材料多为可溶性电极，存在着损耗大、耐腐蚀性差、稳定性弱、能耗与成本高等问题。ACF是不溶性电极材料，具有良好的导电性，电催化活性，因此可作为电极材料开发。此外，ACF电极可将污染物吸附在电极周围，提高了对污染物的降解效率[7]。

管玉琢使用自制三维电极作为反应器(图1)，以ACF作为阴极，采用电Fenton方法处理焦化废水中的苯酚，在pH值为3、反应时间为90 min、电解电压为15 V、活性炭粒子投加量为40 g/L的最优条件下，对挥发酚去除率可达到89.3%[8]。Ramírezpereda使用ACF作为阴极，利用电-Fenton法降解酸性橙7，在电压为1.8 V，电解40 min后酸性橙7的去除率可达到95%，其H2O2产生效率可达到96%[9]。

图1 活性炭纤维三维电极Fig.1 Three dimensional electrode of activated carbon fiber1.槽体；2.阴极毒气管；3.阴极；4.底部毒气体；5.粒子电极；6.底部毒气管；7.取样口；8.搅拌器；9.阳极

1.3 ACF生物膜

ACF具有较好的生物兼容性和较高的微生物固着化速率，通过在ACF上挂载微生物，能够发挥ACF的物理吸附作用，提高微生物的吸附容量和使用寿命，增强对水中污染物的降解能力[10]。

周娟娟用人工挂膜的方式，制备了两种生物ACF，在最优工艺下，用该种ACF处理过的污水的COD指标符合国家饮用水标准，水质稳定[11]。Zhou[12]用聚丙烯腈基ACF作为生物膜，在难以生物降解的工业有机废水环境下，生物质能够在ACF膜上快速的繁殖，并且COD的去除效率较高。

2 活性炭纤维再生的研究

活性炭纤维再生方法主要有溶剂再生、超临界流体再生、微波再生、电化学再生以及电热再生。

2.1 溶剂再生

溶剂再生法是利用特定酸、盐或碱溶液作为再生剂，改变温度、pH等条件，打破ACF、再生剂与表面污染物三者之间的相平衡关系，将ACF上吸附的污染物解吸出来[13]。

溶剂再生法是最为普遍的再生方法，操作简单，再生效果较好，但需要额外的试剂投加。

李忠振研究了盐酸、硫酸钠、氢氧化钠三种溶剂对氨氮饱和ACF的再生效果，发现0.1 mol/L的氢氧化钠对ACF的再生效果最为明显，再生率可达到93.7%[14]。

2.2 超临界流体再生

超临界流体有液体气体的双重性质，具有很强的溶解性和扩散性[15]，可将沉积在ACF表面和孔道内的污染物溶解脱附，以实现ACF再生。

超临界流体再生效果好、ACF损失小，但需要额外的试剂投加，且主要用于深度再生阶段。

Sanchez-Montero用超临界CO2和超临界H2O深度处理苯酚吸附饱和的ACF，在经过初步的热解处理和超临界流体再生后，ACF的吸附能力得到完全恢复，甚至还有少许增加，即便超临界H2O的使用压力是超临界CO2的3倍时，两者对ACF的再生效果相差不大[16]。

2.3 微波再生

微波再生通过微波炉等介质释放电磁辐射，ACF接收能量，表面吸附的污染物质的偶极和诱导偶极极化的作用下产生势场，其方向不断转变并与外加电场方向保持相反，吸附质分子实现同步高频振动，从而产生巨大的热能使之分解、消散[17]。

微波再生能耗低，再生率高、污染小、耗时短，且对材料损伤小[18]，是一种热门的再生方法。

胡思前研究了微波辐射再生吸附苯酚饱和的ACF的效果。使用NaOH作为再生剂，经过4 min的微波辐射后，ACF的活化度到达了91.27%[19]。段小平研究了微波辐射再生吸附甲苯饱和的ACF，结果表明，对吸附甲苯废气饱和的ACF，经过3～4 min的微波辐射后，ACF的解析率达到97%[20]。

2.4 电化学再生

电化学再生通过将ACF负载在电极上，在直流电流和电解液的作用下，ACF在电场作用下发生极化，形成微电解槽，使得ACF表面的污染物分解、脱附[21]。

和微波再生类似，电化学再生也具有效果好、污染低、效率高等特点，也能够直接将ACF表面的污染物直接降解。

傅宝林研究了油吸附饱和的ACF的电化学再生(再生前后的ACF的SEM表征见图2)[22]。结果表明，在电流密度为30 mA/cm2，pH值为4，再生剂为15 g/L的NaCl，再生时间为120 min时，ACF的再生率达到90%，并且在经过5次循环再生后依然有较好的再生效果。此外，由图2可知，再生后的ACF表面没有明显损伤，同时ACF的整体结构并没有发生断裂。

图2 再生前ACF(a)和再生后ACF(b)的扫描电镜表征Fig.2 Scanning electron microscopy characterization of noregenerated ACF (a) and regenerated ACF (b)

2.5 电热再生

ACF电热再生将热再生和电化学结合，将 ACF负载在电极上，在直流电流的作用下使电极通电发热，将ACF表面的污染物蒸发，实现ACF的再生。

电热再生本质为热再生，耗时短、活化度高，对材料损伤小，且具体实现较为简易。

李永贵研究了吸附甲醇饱和的ACF的电热再生。结果表明，电热脱附5 min后，ACF再生率就能达到91.3%，且ACF的损耗较小[23]。

3 结束语

ACF作为功能材料可多维度进行开发，目前主要研究的为载体、电极等方向，注重于关注ACF良好的电容性和巨大的比表面积。事实上，ACF还具有良好的拉伸强度、韧性等物理性质，可在此维度上进行进一步开发。

ACF的再生多数都是在使用后进行，在线同步再生的研究非常少，因而之后的研究方向可以注重于ACF的在线再生。