摘 要:介紹了一種新型催化材料——活性炭纖維及其在催化領域中的應用。通過與以顆粒活性炭為代表的傳統碳材料在結構、性能方面的對比,概述了活性炭纖維優良的吸附和催化等特性。全面介紹了活性炭纖維在脫除SO2、HCl、NOx以及作為催化劑載體方面的應用。
活性炭纖維(Activated Carbon Fiber-ACF),亦稱纖維狀活性炭,作為一種理想的高效吸附材料,是在碳纖維技術和活性炭技術相結合的基礎上發展起來的,是繼粉狀和粒狀活性炭(Granular Activated Carbon-GAC)之后的第三代活性炭產品[1-4],并以其特殊的表面化學結構和物理吸附特性在環保、電子、醫用衛生和化工等領域中廣泛應用于脫色、除臭、精制、分離、溶劑回收和廢水、廢氣處理等。由于ACF表面具有各種酸堿性質不同的含氧基團,它們與金屬活性組分的相互作用能力不同,從而對許多反應具有催化作用。此外,還可以通過燃燒從ACF廢催化劑中回收負載的貴金屬。因此,無論是作為催化劑還是載體,都顯示出廣闊的應用前景。本文就活性炭纖維的制備方法、結構性能特點及在催化中的應用進行評述。
1、活性炭纖維制備及性能
1.1 制備與分類
ACF經CF活化制得,而纖維狀炭主要通過四種方法獲得[6]:(1)烴或CO高溫熱解,在石墨或陶瓷板上形成結晶質的胡須狀炭;(2)高溫高壓下石墨電極間通電,產生石墨晶須;(3)高級炭黑在非氧化氣氛中,高溫處理形成石墨化單晶;(4)在保持高分子纖維形狀的前提下,將其炭化。絕大多數ACF都是由這種方法獲得的CF活化而成。作為ACF前驅體的高分子纖維主要有粘膠基、聚丙烯腈(PAN)基、酚醛基、瀝青基、聚乙烯醇(PVA)基、苯乙烯-烯烴共聚基和木質素纖維等,其中前四種均已實現工業化[1-5]。不同原料生產的ACF的主要優缺點如表1所示[1-2]。
表1 不同原料生產ACF的主要優缺點
Table 1 Advantages and disadvantages of ACF derived from different materials
種類 主要優缺點
粘膠基 原料低廉,但收率低,強度低,生產工藝較復雜
PAN基 結構中含氮,對硫氮系化合物有催化作用,具有高吸附性能強度高,工藝簡單、成熟
酚醛基 原料價廉,收率較高,工藝簡單,不需要進行預處理
瀝青基 原料價廉,收率高,雜質多,不易制得連續長絲,深加工困難,強度低
1.2 ACF的組成、結構與性能
ACF主要由C、H、O三種元素組成。不同原料生產的ACF化學組成如表2所示[2-3,7]。
表2 不同原料ACF的化學組成
|
ACF種類 |
w(C)/% |
w(H)/% |
w(N)/% |
w(O)/% |
|
粘膠基 |
92.5~94.5 |
0.6~0.8 |
|
2.9~3.5 |
|
PAN基 |
88.0~91.0 |
0.7~0.9 |
2.5~5.5 |
2.5~8.8 |
|
酚醛基 |
-93.1 |
-5.0 |
-0.9 |
-1.0 |
|
瀝青基 |
91.0~95.0 |
0.6~0.8 |
2.0~3.0 |
|
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