活性炭纤维在吸附领域的研究进展

王静松(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730124)

0 引言

活性炭纤维(Activated Carbon Fiber, ACF)是20 世纪70年代发展起来的一种新型的炭多功能吸附剂，被称为是第三代活性炭产品。该类吸附剂因其具有发达的孔隙结构、较大的比表面积、再生利用性好和操作性强等优点被科研工作者们所青睐。吸附的过程根据吸附质与吸附剂间的分子表面作用力的不同可分为物理吸附和化学吸附。目前ACF 已经广泛用于环境科学领域中，用于吸附水、空气中多种污染物。基于此，ACF 具有广阔的应用前景。

1 活性炭纤维对CO2的吸附

CO2的大量排放是导致温室效应主要成因之一，吸附是CO2减排十分经济的措施，ACF 作为一种良好的吸附剂具有微孔结构，研究发现微孔数量越多越有利于ACF 对CO2的吸附，相对压力越低将会阻碍吸附效果[1]。Shen[2]等人以聚丙烯腈为原料，KOH 活化制备得到的多孔吸附剂，BET 表面积为2231m2·g-1，孔隙体积为1.16cm3·g-1，材料表面具有碱性位点。研究发现，在同等情况下，该类吸附材料对CO2的吸附速率大大提高，是对N2的吸附量的3 倍多。胡林[3]等人采用黏胶基活性炭纤维(V-ACF)和聚丙烯腈基活性炭纤维(PAN-ACF)两种吸附剂，两种吸附剂对CO2的吸附都有着较好的效果，对比发现ACF 的微孔体积将会直接影响到对CO2的吸附量，因为V-ACF 的微孔体积大于PAN-ACF，所以吸附量稍高，达到了37.5mg·g-1，高浓度的CO2有利于吸附剂的去除。

2 活性炭纤维对挥发性有机化合物(VOCs)的吸附

随着我国经济的快速发展，机动车的废气排放以及化工等行业的排废导致了VOCs 大量增加，严重污染了环境，危害人体健康。最常见的VOCs 有苯、甲苯、二甲苯、丙酮等。当环境中VOCs 的浓度很高时，吸附的过程主要取决于孔隙的体积，吸附剂的性质对于吸附来说没有太大的有影响，当污染物的浓度较低时，吸附剂的微孔率在吸附过程中就起到关键的作用。赵海洋[4]等用三种不同比表面积的ACF 对甲苯、乙酸乙酯、异丙酮和丙酮几类VOCs 进行吸附实验，实验结果表明ACF 的吸附效果均良好，并且采用电致热脱附ACF 后，吸附剂仍然具有良好的吸附效果，是之前吸附量的80%以上。黄秋丽[5]等以ACF作为载体，采用浸渍涂膜法制备TiO2膜，用于去除甲苯。以ACF制备的光催化剂对有机废气中的甲苯去除效果较好，操作条件简便。研究结果表明，该材料适合在低浓度的废气中进行，越高浓度的气体降解效果不明显。

3 活性炭纤维对重金属离子的吸附

由于采矿、污水灌溉和使用重金属超标品等人为因素导致环境中水体的重金属含量大大增加，当超过水体自身净化能力的标准时，水体就会受到威胁，最终将会严重破坏人体的生命系统。吸附法操作简单，成本较低而常常应用于去除水中重金属。路晏红[6]等利用NaClO 氧化改性了ACF，研究中提出确定ACF 与1.0mol·L-1的固液比为2g·L-1时为最佳改性条件，此时吸附剂表面的酸性基团数目最多。在吸附过程中，改性后的吸附效果要明显高于未改性的ACF，且该过程为自发的吸热过程。陈小萍[7]分别采用浓HNO3、H2O2、载铁离子、电化学对ACF 进行改性，研究发现，采用氧化改性ACF 虽然能够增加吸附剂表面的含氧官能团，但同时也会使得表面孔隙减少导致吸附Cr(VI)的效果并没有明显提高。载铁离子改性的方法同样也因为过量的铁盐聚集在了吸附剂的表面从而不利于吸附。电化学改性的方法表明，可能在通有合适的电流时，ACF 表面的Cr(VI)还原为Cr3+，而吸附剂表面带有负电，增强了吸附效果，同时也可以进行脱附，达到吸附剂再生的效果。

4 活性炭纤维对染料废水的吸附

印染废水是一种处理难度较大、成分复杂、排量巨大的一种工业废水。印染加工纺织品耗费的水量中80%～90%将会以废水的形式排出，在我国工业废水排放量中，纺织工业位于第六位。在解决印染废水问题的研究中，高级氧化法、膜分离、电化学等技术常应用于净化染料废水，对于吸附法来说，上述技术操作过程较为复杂，成本较高。ACF 的发展历史较为长远，技术成熟，在吸附印染废水方面，已有对亚甲基蓝、刚果红、甲基橙等研究报道。朱艳红[8]等以棉短绒为原材料，用5%的磷酸二氢铵浸渍的方法制备得到ACF 吸附刚果红，此种方法制备的ACF 比表面积达到近1231m2·g-1，产生大量微孔，具备良好的吸附条件。实验结果表明影响吸附效果的因素有刚果红的初始浓度、溶液pH、ACF 的用量及吸附时间，该吸附过程符合Langmuir 等温模型和准二级动力学模型，研究发现ACF 的再生利用性很高，可回收，具有较强的吸附能力。王邓峰[9]等则用天然中孔萝 绒为原材料采用磷酸活化的方法制备得到ACF，磷酸活化的技术具有易保持吸附剂表面作用官能团和孔隙结构不变的优点，而生物基材料符合绿色可持续发展，二者相结合制备得到的ACF 对于吸附亚甲基蓝有着很好的效果。该吸附剂相比较原始的ACF 具有巨大的比表面积和更多的微孔，最大的吸附量达到了943.37mg·g-1。

5 结语

本文重点叙述了国内外ACF 的不同制备方法、改性技术，并将ACF 运用到大气、水污染物处理当中，研究发现ACF 吸附污染物种类繁多，效果良好，ACF 在吸附领域有着很好的应用前景。近年来的研究主要针对降低成本、增强吸附能力和优化生产工艺等方面，但是ACF 的吸附机理的研究还是不够深入，目前的研究阶段大多数还是停留在处理单一污染物存在的状况下，所以如何改性ACF 使得吸附效果提高，并将其应用到实际生活当中是日后研究的重难点。