活性炭纤维表面加载催化剂工艺

王宇翔

摘  要：活性炭纤维（ACF）是被活化的含碳纤维，是将某种含碳纤维经过高温活化，在碳表面产生纳米级别的孔径，增加碳的比表面，改变其物理和化学性质。本文主要分析活性炭纤维表面加载催化剂工艺，利用化学溶液浸渍法和煅烧法，将氧化铜、二氧化铈等加载到活性炭纤维表面，这种方法较为简单，而且还能得出准确的数据结论，提高活性碳纤维的吸附能力，从而为环境保护做出一定的贡献。

关键词：活性炭纤维;催化剂;表面加载工艺;催化剂制备

Abstract：activated carbon fiber（ACF）is an activated carbon fiber，which activates a kind of carbon fiber at high temperature to produce nanometer pore size on the carbon surface，increases the specific surface of carbon，and changes its physical and chemical properties. In this paper，the surface loading catalyst process of activated carbon fiber is analyzed. Copper oxide and cerium dioxide are loaded on the surface of activated carbon fiber by chemical solution immersion and calcination. This method is relatively simple，and can also draw accurate data conclusions to improve the adsorption capacity of activated carbon fiber，thus making a certain contribution to environmental protection.

Keywords：activated carbon fiber;catalyst;surface loading process;catalyst preparation

硫的氧化物是产生酸雨和光化学烟雾的主要因素，不仅破坏生态环境，还会对人们的身体健康造成一定的损害。因此，在实施保护环境举措的过程中，消除硫的氧化物成为重要手段之一。根据大量研究调查结果分析，很多金属物质具有一定的催化活性，特别是对一些污染物，而且对氧也有一定的亲和力，能够产生金属氧化物，使得金属物质催化作用被消除。随着人们对碳材料的认识程度加深，碳材料逐渐成为催化剂被广泛使用。[1]活性炭能够净化空气、处理污水、净化用水、电子和能源以及军事防护中，而且还能将污水处理后重新利用。将活性炭应用于消除硫的氧化物中，能夠与之发生催化氧化反应，净化一氧化氮废气，具有较好的应用效果。中山大学材料科学研究所曾对ACF进行研究，将ACF当做催化剂、氨气当做还原剂，对一氧化氮进行催化还原反应。本次研究主要是分析活性炭纤维表面加载催化剂工艺，主要通过化学溶液浸渍法，分析活性炭表面加载催化剂的效果，从而达到改变活性炭纤维表面化学性质，增加比表面积、增强孔结构的目的。[2]

1 活性炭纤维表面加载催化剂实验

1.1 实验材料、仪器

碳纤维：使用日本公司的聚丙烯晴碳纤维。

其他材料： （硝酸铜晶体带三个水分子）、 （六水合硝酸铈）;纯水、氩气。

仪器：管式炉，化学实验器皿、玻璃试管若干，真空干燥箱。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 ACF/氧化铜催化剂的制备

利用电子天平称取四份0.5克的ACF，将其中三份ACF分别放在不同浓度的 溶液中，进行等体积浸渍，时间为24小时。待24小时静置之后取出ACF放在干净整洁的干燥箱中进行完全干燥处理，干燥箱的温度设定为85℃。将另一份ACF放到纯水中静置24小时后取出放入干燥箱中进行干燥，并将其作为对照组。[3]将四份ACF放在管式电炉中进行加热，利用氩气进行保护，设置温度为220℃，将 进行分解。待分解完成后，停止管式电炉加热，并将ACF和氧化铜放置在充满氮气的环境中进行降温处理，直至温度达到常温。对冷却后的ACF和氧化铜进行称量，同时计算实际催化剂的附着比例，从而制备不同氧化铜负载量的样品。[4]

1.2.2 ACF/二氧化铈催化剂的制备

采用和上述制备方法类似的方法制备ACF和二氧化铈的催化剂， 的分解温度为330℃。

1.2.3 ACF/ 催化剂的制备

利用电子天平称取四份0.5克的ACF，采用上述同样方法，选取一份为对照组，其余三份分被放在不同浓度的 、 混合溶液中。同样制备不同负载量的ACF/ 催化剂，分解温度为330℃。

2 活性炭纤维表面加载催化剂实验结果分析

在完全附着情况下制备 溶液，得到理论负载量为10%的ACF/二氧化铈催化剂实际负载量为3.69%，这个数据是多次研究后的平均数（实际负载量=多次（负载质量分数/总质量分数）相加/次数），数据准确、可靠。在研究实验过程中，标记的负载量均为理论值。具体实验数据如表1和表2所示。在经过多次研究后得出，实际催化剂的负载量约为理论负载量的三分之一，而且还可以根据实验得出催化剂的附着量和元素的投放量具有一定的线性比例，如图1所示，能够为制作大面积的催化剂提供依据。[5]另外，在对所有制备样品进行电镜扫描后，发现催化剂的负载量随着溶液浓度的升高而升高，且得到的活性炭纤维表面附着的催化剂较为均匀。从实验中可以得出，当溶液浓度为30%时，实际负载量越高，这说明制备的催化剂附着较为均匀，能够均匀的附着在活性炭纤维的表面。

本文研究采用化学溶液浸渍法探究催化剂附着情况，这个方法操作简单，而且催化剂的制备过程也较为简单，不需要大量的材料，也没有复杂的数据计算。在实验过程中，能够有效控制ACF的使用剂量，尽管制备的催化剂负载量比理论负载量要地甚多，但是在等体积条件下，能够有效控制物质的使用量，避免出现大面积的物质浪费，利用多次浸渍实验，能够提高催化剂的负载量。[6]

3 結论

总而言之，随着人们生活水平的不断提高，环境问题日益突出，不管是生产还是生活中，都会产生大量的废气、废水等污染物，对生态环境造成严重的破坏，近些年来，大量湖泊、河流水域被污染、同时汽车数量逐年递增，造成的环境污染和大气、水土破坏越来越严重。探究活性炭纤维表面加载催化剂工艺，使用化学溶液浸渍法，通过对比试验，得出催化剂实际附着比例以及实际负载量更高的溶液浓度，能够为其他元素在活性炭纤维表面的加载实验打下来能更好的基础，而且还能为工业化装置大规模生产提供数据支撑，提高生产效益。[7]在环境保护中应用活性炭纤维，能够提高环境保护工作落实的质量，推动环保工作的发展。

参考文献

[1]  王承宾.活性碳纤维有机废气回收技术在清洁生产中的运用[J].科技创新与应用，2019（16）：159-160.

[2]  都亚茹.改性活性碳纤维吸附氮氧化物的实验研究[D].太原理工大学，2019.

[3]  都亚茹，张兴惠，杨姣姣.浸渍改性活性碳纤维吸附氮氧化物性能[J].环境工程学报，2019，13（07）：1694-1702.

[4]  于丽媛，朱波.活性碳纤维表面加载催化剂工艺研究[J].高科技纤维与应用，2016，41（05）：53-56.

[5]  秦建杰，王延相，牛芳旭，郑林宝，王兴辉，马连茹，刘群，王成国.催化剂加载对连续碳纤维表面生长碳纳米管的影响[J].材料导报，2017，31（S1）：1-5.

[6]  Gil A，Taoufik N，García A M，Korili S A. Comparative removal of emerging contaminants from aqueous solution by adsorption on an activated carbon.[J]. Environmental technology，2019，40（23）.

[7]  王延相，苏顺生，范汶鑫，秦建杰，瞿策，王成国.加载金属催化剂在碳纤维表面生长多尺度碳纳米管增强体[J].材料研究学报，2018，32（07）：495-501.