活性炭纤维在大气污染治理方面的应用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江苏 南京 210000）

活性炭纤维在大气污染治理方面的应用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江苏 南京 210000）

本文介绍了活性炭纤维（ACF）比表面积大、微孔结构发达、孔径小等特性，并概括了活性炭纤维在吸附大气污染物，特别是烟气中的SOx、NOi等污染物的显著效果及作用机理，并提出一些提高活性炭纤维品质的途径。

活性炭纤维；大气污染治理

目前主要的能源供给来自于煤、石油和天然气等化石燃料，化石燃料燃烧会产生大量的气态污染物，主要包括SOx、NOi等。大规模的工业生产中也会产生相应的有机废气，如甲苯等。随着生活水平的提高，人们的环保意识也在不断增强，所以，大气污染物的控制技术受到越来越多的关注。

1 活性炭纤维（ACF）特性

（1） 比表面积大，ACF的比表面积一般能达到1 000～1 500 m2/g，甚至3 000 m2/g，因此，ACF是理想的吸附材料，可在脱附气体污染物方面使用。

（2）微孔结构发达，ACF微孔的体积达到总孔体积的90%以上，吸附容量是普通粒状活性炭的1.5～10倍，因此ACF的吸附效率大大提高。

（3）表面含有大量有机官能团，这些有机官能团加强了ACF的氧化还原能力，使得它可以催化某些化学反应。

（4）良好导电导热性、耐高温，使得它既能用于电吸附，又能适应高温环境。

2 活性炭纤维（ACF）在治理大气污染中的应用

鉴于活性炭纤维（ACF）具有以上优点且可重复使用，故其可以被大面积用于空气净化。目前大气的主要污染物为SO2、NOi、H2S，故针对治理这几种气体的作用机理及应用现状介绍如下。

2.1 ACF脱除SO2

2.1.1 作用机理

以在氧气和水蒸气存在下ACF氧化脱除SO2为例，其机理为：在活性位上SO2经过一系列的物理化学反应和表面重整，转化为硫酸，然后经过水合的硫酸脱附或者被洗涤脱出。然而该过程主要存在两个方面的分歧：在SO2转变为SO3的过程中氧的状态、速率控制步骤。

关于SO2氧化为SO3的过程，有些人认为其符合Langmuir-Hinselwood模型，另外一些学者认为其符合Eley-Rideal模型。前者假定吸附的氧气以氧分子或者游离态与吸附的SO2反应，而后者认为气相的氧气以分子状态与吸附的SO2反应。而在速率控制步骤上存在这样的分歧，一些学者提出整个反应的控速步骤是SO2氧化，而反对者认为是硫酸的洗脱。这样，水被假定有双重作用，一重是与吸收的SO3反应生成水合硫酸，另一重则是解离活性炭纤维表面吸附的硫酸。那么我们得到ACF参与氧化去除SO2过程的顺序：SO2和水吸附→SO2氧化形成吸附的SO3→SO3水合形成吸附的硫酸→硫酸被洗脱（以水合硫酸形式），洗脱硫酸释放的空位（活性位）得以继续地进行吸附。

实验结果表明，SO2的转化率随着水浓度的增大而增大，说明更多的水加速了硫酸的洗脱，提高整个反应速率。根据这个特征可以假设：两种反应机理都是最后一步反应最慢，即为速率控制步骤。

2.1.2 应用

由于活性炭纤维具有优良的吸附性能，许多研究者研究了活性炭纤维脱除SO2的效果。晁攸明等研究了活性炭纤维脱除空气中SO2的效果，废气在通过ACF（经过热处理）后，SO2脱除效率在46%以上。结果分析表明，由于热处理增强了含N活性炭纤维对SO2和O2的吸附作用，加速了SO2的氧化从而提高了脱硫效率。在大规模治理含硫废气领域，ACFs应用前景广阔。

2.2 ACF脱除 NOx

2.2.1 作用机理

很多学者对活性炭吸附NOx进行研究。根据Shirahema等的研究，ACFs吸附NO2反应机理如图1所示。可以看出，ACFs在吸附NO2过程中有两种吸附位。位1（Site 1）强烈地吸附NO2分子，尤其是在初始阶段，在O2浓度为10%时发生了明显的岐化作用，产生了NO，表面只剩下N2O3。位2（Site 2）吸附NO2较弱较慢，直到达到吸附饱和时才停止，最终导致NO2吸附穿透。N2O3加热分解生成NO2和NO，同时表面剩下的氧与碳反应生成CO2、CO。

2.2.2 应用

NO是典型的大气污染物，因它自身的特殊特性，只有极少数微孔固体对NO有吸附作用。很多科学家研究通过负载过渡金属氧化物的方法，提高ACF对NOx的吸附能力。

图1 ACFs吸附NO2反应机理

郭世永等研究结果表明，不同金属氧化物的引入可大大提高活性炭纤维脱除NO的性能。负载铜—钴和铜—铈复合金属氧化物在ACFs中的两种组分有协同效应，在一定温度下有很高的反应活性和更长的寿命。Aleaniz-Monge等利用含铁沥青制备的活性炭纤维，在脱除NO方面有较高效率且在500 K即可再生。

2.3 ACF用于其他气体脱除

J Przepiorski，Yoshida等 用 KACF脱 除 H2S。他们认为用K2CO3预处理后再进行活化得到的ACF 对H2S的处理效果最好，并认为其在潮湿环境中有利于脱除H2S，在反应过程中有S元素和KHCO3生成。

此外，在回收三氯乙烷和二氯甲烷之类的强腐蚀性溶剂方面，ACF也具有传统工艺无法达到的优越性。传统的GAC工艺中少量溶剂尾气在过渡金属（Cu、Fe等）的催化作用下会水解成盐酸、氯乙醇等有机物导致pH值下降，腐蚀设备，且GAC回收成本较高。若使用ACF回收，其中金属含量只有GAC的1/2～1/10，这样就抑制了催化作用，降低了对装置的腐蚀。同时用ACF回收的溶剂质量好，无需蒸馏就可再用，降低了成本。ACF还可用于吸附去除苯乙烯之类产生恶臭的物质，同时对CHCl3、CHBrCl2和CHBr2Cl的吸附量也较大。

3 结语

活性炭纤维在大气污染物治理方面的应用研究越来越受到关注。由于大气污染物治理相较于污水处理难度更大，研究者们正全方位的研究如何提高ACF在治理大气污染物方面的应用效果。他们从原材料制备技术（纤维的种类、来源、活化机制等）、表面反应的控制（气固反应机制的研究、催化剂载体催化吸收、挂载纳米炭纤维等）、活性炭纤维的表面改性等方面都做出了努力，并力争在选择合适的工艺后进行系统集成，这也是今后的研究方向。

［1］ 黄强，潘鼎，黄永秋.活性炭纤维在治理水污染和大气污染中的应用［J］. 化工新型材料，2008，30（8）：32.

［2］ 王丽平，黄柱成，等. 活性炭纤维治理大气污染的性能及机理研究［J］. 材料导报，2008（10）：76～79.

［3］ 路培，李彩亭，等. 负载稀土元素活性碳纤维在微型反应器中净化NO废气［J］. 化工环保，2006（06）：455～458.

（P-05）

Application of activated carbon fi ber in air pollution control

X51

1009-797X（2015）22-0135-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.053

梁沁（1987-），女，初级，本科学历，研究方向为高分子材料。

2015-10-12