活性炭纤维复合改性及其吸附性能研究

摘 要：【目的】通过温和的改良技术增强聚丙烯腈基活性炭纤维（PAN-ACF）对二氧化硫（SO）的吸附性能，旨在开发一种经济实惠且环境友好的吸附材料。【方法】以聚丙烯腈基活性炭纤维（PAN-ACF）为前驱体，利用微波加尿素浸泡复合改性方法对PAN-ACF进行改性处理。【结果】其中提升PAN-ACF对SO吸附性能的最优改性方法为4%尿素浸泡+8 min中火微波，对比原片吸附量提升了147.15%。结合红外光谱分析和扫描电镜表征，分析得出复合改性技术可以优化活性炭纤维结构和负载的官能团，从而增强其吸附性能。【结论】与传统改性方法相比，本研究所采用的微波加热和尿素浸泡改性技术属于绿色改性方法，具有较好的应用前景。

关键词：聚丙烯腈基活性炭纤维；复合改性；吸附性能

中图分类号：X701；TQ424" " "文献标志码：A" "文章编号：1003-5168（2024）22-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.017

Study on the Composite Modification of Activated Carbon Fiber and Its Adsorption Properties

Abstract：" [Purposes] The adsorption performance of PAN-based activated carbon fiber（PAN-ACF） on sulfur dioxide （SO） was enhanced by a mild modification technique， aiming to develop a cost-effective and environment-friendly adsorbent material. [Methods] PAN-ACF was used as a precursor， and" being PAN-ACF was modified with composite modification methods by using microwave and being soaked in varying concentrations of urea acid. [Findings] Among them， the optimal modification method to improve the adsorption performance of PAN-ACF to SO is soaking them in 4 % urea and" "microwaving them with medium fire for 8 minutes， and by doing so， the absorption capacity is 147.15 % higher than that of the original sheet. Combined with infrared spectroscopy and scanning electron microscopy， it is concluded that the composite modification technology can optimize the structure of activated carbon fiber and the loaded functional groups， thereby enhancing its adsorption. [Conclusions] The microwave heating and urea immersion modification techniques used in this study are green modification methods with better application prospects compared with traditional modification methods.

Keywords：PAN-ACF; composite modification; adsorption performance

0 引言

在以往的研究中，有很多学者对活性炭纤维（Activated carbon fiber，ACF）进行改性处理，以增强其吸附性能，提高吸附效率［1］。目前较为常见的改性方法主要集中于强酸、强碱、金属改性［2-3］，然而这些化学试剂的使用容易对生态环境造成严重污染。因此，绿色、无污染、高效的改性方法是目前研究中的重大课题。微波是一种电磁波，可以使碳纤维材料在几秒内快速升温至300 ℃以上，并发生氧化反应，短短几分钟便可使碳纤维达到理想的氧化改性效果。经过微波氧化处理后，碳纤维管发生膨胀、裂片，使纤维比表面积增大，含氧官能团增多，最终提高材料的吸附性能［4-5］。微波处理相对传统热处理而言能够节约时间，减少能源损耗。尿素化学性质温和，其废液处理也更容易，能够节约生产成本。本研究以聚丙烯腈基活性炭纤维（PAN-ACF）为前驱体，探究微波热处理+尿素浸泡复合改性方法对ACF-SO2吸附性能的影响，为ACF绿色化改性研究提供参考。

1 试验部分

1.1 材料与试剂

ACF（青岛北海炭素有限公司）；淀粉、碘单质、 尿素、乙酸、浓硫酸、无水亚硫酸钠、氢氧化钠、氨基磺酸铵、碘酸钾（均为分析纯，西陇科学股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

电子天平（MP10001）；分析天平（SQP）；红外光谱（WQF-510A）；电热恒温干燥箱（GZX-910MBE）； 扫 描 电 子 显 微 镜（TESCAN MIRALMS）；格兰仕微波炉（P70D20TL-D4）。

1.3 SO2的制备及改性ACF的制备

1.3.1 SO2的制备。将30 g K2S2O8放入250 mL 平底烧瓶中，用两孔橡胶塞塞住上端，插入 100 mL长颈分液漏斗和直角导管。管道的一端连接水箱 以收集尾气。所有接口用真空润滑脂密封后用20 mL 浓硫酸填充长颈分液漏斗，并打开长颈分液漏斗活塞。反应发生5 min后，将导管连接到气体收集袋， 以收集高浓度SO2。

1.3.2 改性ACF的制备。ACF原片前处理：将活性炭纤维毡布裁剪成3 cm×7.5 cm约1 g的方片，放入烘箱120℃ 2 h烘干后，称重，放入自封袋中，做好标记。尿素+微波复合改性处理ACF：取5片前处理好的ACF，放入4 wt%的尿素溶液中浸泡24 h，后用蒸馏水洗涤ACF至中性后，放入烘箱120℃、2 h烘干，放入微波炉中，调至中火，微波处理2、4、6、8、10 min，进行ACF-SO2吸附性能测试。微波+尿素复合改性处理ACF：取5片前处理好的ACF，分别用中火微波处理2、4、6 、8 、10 min后，再浸泡到质量分数为4 %的尿素溶液中24 h后，用蒸馏水洗涤至中性，放入烘箱中120 ℃ 2 h烘干，进行ACF-SO2吸附性能测试。

1.4 ACF-SO2吸附性能测试

首先将改性处理好的ACF放入图1所示装置的洗气瓶内，瓶口两端橡胶管用止水夹夹紧，注入5 mL高浓度SO2，保持密封状态48 h后，将洗气瓶进气口接入装有单向阀的气泵，出气口接上联排装有50 mL吸收液的砂芯吸收瓶。其次打开止水夹，开启气泵，控制气流流速在0.5 L/min，吹1 h。最后将砂芯吸收瓶中吸收液转入碘量瓶中，加入50 ml 2 g/L的淀粉溶液，用0.010 mol/L的碘标准溶液滴定至蓝色，记录消耗体积V1（mL）。ACF-SO2吸附含量计算方法见式（1）。

式中：K为活性炭纤维吸附SO2含量，mg/g；C0为注射的SO2的浓度，mg/ml；Vnd为注射的SO2体积，mL；C（1/2 I2）为碘标准溶液浓度，mol/L；V1为活性炭纤维吸附后剩余SO2消耗的碘标准溶液体积，mL；32.0为1 mL 1 mol/L 碘标准溶液相当的二氧化硫的质量，mg；mACF为活性炭纤维的质量，g。

2 结果与分析

2.1 红外表征结果

PAN-ACF材料经过微波+尿素复合改性处理后的红外光谱如图2所示。由图2可知，与未处理的ACF材料对比，改性后的PAN-ACF在1 020～1 340 cm-1间出现了伸缩振动吸收峰和面内弯曲振动峰，表明PAN-ACF材料经过尿素浸泡处理后可能有氰基（CN）或氮氢键（NH）生成。在3 000 cm-1左右也出现了伸缩振动峰，可能是有氮氢键（NH）生成，并发生了偏移，此类官能团的增加有助于提升ACF-SO2吸附性能。

PAN-ACF材料经过尿素+微波复合改性处理后的红外光谱如图3所示。由图3可知，与未处理的ACF材料对比，改性后的PAN-ACF在1 000～1 260 cm-1间的伸缩震动峰有所增大，表明PAN-ACF材料经过复合处理后有碳氧键（C-O）生成，此类官能团的增加有助于提升ACF-SO2吸附性能。lt;D：＼工作＼兼职文件＼雨后＼12月＼河南科技202422＼河南科技202422＼Image＼image4_2.jpeggt;图3 尿素+微波复合处理的PAN-ACF材料FT-IR光谱

2.2 SEM表征结果

经过改性后的PAN-ACF的SEM图如图4所示。图4（a）原片表面比较光滑，颗粒物也较少。图4（b）纤维表面出现了破损、坑洼的现象，明显增大了PAN-ACF的比表面，表明单改性可以提升PAN-ACF的吸附量。图4（c）在纤维表面有明显的腐蚀，并在腐蚀的坑洼处有大量的固体颗粒附着且纤维直径较小，无膨胀。图4（d）可以看到，纤维表面开裂，表面粗糙，并且相较于图4（a）和图4（b）有明显的颗粒附着。说明复合改性能够进一步提升PAN-ACF对SO2的吸附量，达到最佳吸附状态。

2.3 ACF-SO2吸附性能测试

不同复合处理后ACF-SO2吸附量数据见表1。由表1可知，经过复合处理后，ACF-SO2吸附量有非常明显的提升。其中中火微波+尿素浸泡复合改性条件探究中，6 min中火微波+4%尿素浸泡效果达到了9.848 mg/g，吸附率提升高达103.63%。而4%尿素浸泡+8 min中火微波处理后，ACF-SO2吸附量提升高达11.953 mg/g，吸附率提升高达147.15%，有着非常好的改性效果。经过实验探究，ACF先经过4%尿素浸泡后，再用中火微波处理8 min可以达到最佳的改性效果。

复合处理情况下ACF-SO2吸附量如图5所示。由图5可知，经过复合改性处理后，ACF-SO2吸附量有着非常明显的提升，尤其是ACF先经过4%尿素浸泡，再用中火微波处理后，对SO2的吸附性能更好。

3 结语

本研究以提升PAN-ACF材料对SO的吸附效率为目的，从PAN-ACF的结构、吸附原理出发，结合绿色、无污染的改性理念，设计不同的单改性和复合改性方法，对PAN-ACF进行改性。结果表明，先4%的尿素浸泡48 h，然后微波中火处理8 min为最佳的改性方法，ACF-SO2吸附量提升高达11.953 mg/g，吸附率提升高达147.15%。并且试验所需试剂和仪器都是实验室比较常见的，不会造成环境污染等问题，适用于工厂大规模的生产，可应用于SO气体的处理中。

参考文献：

［1］ 乔蒙蒙， 辛美音， 付东升， 等. 活性炭纤维的制备及其再生技术研究进展［J］. 化工与医药工程， 2023， 44（3）： 61-66.

［2］ 黄修行， 谌莉， 李惠， 等. 活性炭纤维用于烟气脱硫脱硝的研究进展综述［J］. 红水河， 2020， 39（04）： 35-38.

［3］ JI Y H， WANG X W. Purification performance of modified polyacrylonitrile fiber-activated carbon fiber filter for heavy metal ions［J］. Environ Sci Pollut Res Int，2022，30（9）：23372-23385.

［4］ 郝克， 石焱， 孟令一， 等.活性炭改性方式及其微波脱硫脱硝研究现状［J］. 河北冶金， 2023（10）： 8-14.

［5］ 王文诚. 微波/活性炭纤维耦合过硫酸盐预处理污泥的研究［D］. 南昌： 南昌大学， 2022.