新型活性炭纖維過濾材料的研究和應用

張愛旭　趙世懷　趙曉明

摘 要：活性炭纖維能有效去除有機污染物，采用濕法成型技術制備的活性炭纖維濾餅具有三維網狀結構，有效網孔直徑不受纖維直徑的約束，在一定區域內可連續、可調控，空隙率可在30%～95%任意選擇，并且制造成本低。通過對甲醇動態吸附作用的測試，與濾材市場上常見的活性炭纖維氈和纖維網相比，活性炭纖維濾餅顯示出了更好的吸附效率和飽和吸附量。所以，可以將這種濾餅應用到防毒面具、空氣凈化器、工業廢氣凈化和汽車尾氣等從個人防護到空間防護，從工業生產到民用凈化等各個領域。

關鍵詞：活性炭纖維；濕法成型；甲醇；吸附性能

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.006

隨著有機化工產品的廣泛應用，排入大氣中的有機污染物也越來越多，尤其是低沸點、易揮發的有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）越來越多。這些污染物主要來源于石油化工行業所排放的廢氣以及造紙、油漆、涂料、采礦和紡織等行業所排放的有機溶劑，不僅污染環境，還會危害人體健康。活性炭纖維（ACF）作為一種新型的功能性纖維，對有機物有非常好的吸附作用。它是以有機纖維為前驅體，經過高溫碳化和活化制備而成，與粉狀活性炭和粒狀活性炭相比，其具有成型性好、耐酸堿、電導性和化學穩定性好等特點。ACF表面具有狹縫型納米孔結構，孔徑一般在4 nm以下，其孔徑分布均勻，比表面積達1 000 m2/g以上，吸脫速率快，為粒狀活性炭的10～100倍。由于其具有超大比表面積、發達的孔結構、吸附脫附速度快和吸附容量大等優點，被廣泛應用于空氣凈化、廢水處理、溶劑回收和貴金屬回收等方面。目前，市場上常見的活性炭纖維吸附材料主要包括活性炭纖維氈、紙和網等。但是，現有的活性炭纖維制品大多存在機械強度低、密度小，不利于工程化應用和吸附凈化裝置的小型化等問題，因此，研究開發高效率、高密度硬質活性炭纖維產品是勢在必行的。本文介紹了一種采用濕法成型技術制備出大孔隙率、三維網狀結構和機械強度比較高的活性炭纖維濾餅，以對人體的神經系統和血液系統影響最大的甲醇為過濾對象。采取空氣鼓泡法和稀釋法，以39～65 mg/m3蒸氣的質量濃度（停留30～60 min會產生生命危險）為甲醇的初始質量濃度，科學、有效地比較活性炭纖維氈、活性炭纖維網和活性炭纖維濾餅的吸附效率、飽和吸附量和總體吸附性能。

1 實驗部分

先將直徑為15～20 ?m的活性炭纖維剪切成長度為2～10 mm的短纖維分散到溶劑中，加入一定比例的纖維濾餅固型劑，將其攪拌成均勻的漿液放入濕法成型器中進行成型操作，最后烘焙。通過對活性炭纖維、固型劑和溶劑的不同配比和烘焙工藝的控制，可以制成不同孔隙率、孔徑和強度的濾餅，從而滿足不同應用領域的需求。

利用自組裝的動態吸附系統測試所制備的活性炭濾餅對甲醇的吸附性能。該系統將空氣壓縮機產生的一定流量的空氣作為甲醇載體，通過盛有分析純甲醇的鼓泡容器產生飽和蒸汽壓濃度的甲醇/空氣混合氣體，并將其稀釋到甲醇質量濃度為4.5%（導致生命危險的質量濃度上限），然后進入放有活性炭纖維濾層的管式吸附器。經過過濾的混合氣體部分進入帶有甲醇傳感器的氣體檢測儀，另一部分排放到了廢氣排放系統。該實驗分別對活性炭纖維氈、活性炭纖維網和活性炭纖維濾層做了甲醇的吸附作用和吸附性能測試。

2 結果與討論

不同成型技術制備出的活性炭纖維產品厚度不同，纖維氈的厚度一般為3～4 mm，纖維網>4 mm，濕法成型的纖維濾餅為0.5～2.5 mm，所以，導致它們的孔隙率、纖維密度、濾材強度和吸附效率等性能存在差異。濕法成型技術制備的活性炭纖維濾層不受纖維直徑的影響，具有大空隙率，并且可以同時裁剪和選擇孔徑。另外，活性炭纖維濾餅三維孔狀結構的有效孔徑在很寬廣的區域內可以連續調控。圖1為不同成型技術制備的活性炭纖維產品。從圖1中可以看出，濕法成型技術制備的纖維濾餅活性炭纖維分散均勻，無纖維成束現象，活性微孔可以充分暴露于被測氣體，而且在保證濾餅透氣性良好（足夠的孔隙率）的前提下，有效地提高了單位體積濾材的過濾效率，在快速吸附的情況下增加了吸附量。表1為濕法成型技術制備的活性炭纖維濾餅與活性炭纖維氈和纖維網對甲醇吸附作用的性能比較。從表1中可以看出，在相同過濾面積下，活性炭纖維濾餅最薄，單位體積纖維質量最低。當所測試纖維濾餅的吸附時間為530 s、飽和吸附量為112 mg/g時，相對應的纖維氈和纖維網由于單位體積纖維質量高、吸附時間較長，其飽和吸附量僅為88 mg/g和70 mg/g。這些數據說明，纖維濾餅具有獨特的三維網狀結構，能夠使纖維徑向全方位均勻分布，不存在纖維成束現象，纖維與纖維僅存在點與點的接觸，使纖維微孔完全暴露于甲醇/空氣混合物中，提供了更多的活性吸附點，達到了更高的飽和吸附量。同時，較大的孔隙率使整個多孔材料床層具有更小的流動阻力和高滲透性，進而提高了吸附效率。

機械強度高，具有獨特的三維孔狀結構，所以，對甲醇有比較強的吸附效率和吸附量，其吸附性能優于市場上常見的活性炭纖維材料，可將其應用于空氣凈化、廢氣治理等領域。

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〔編輯：白潔〕