废旧纺织品基活性炭制备及其应用研究进展

2022-09-30段先月蔡宇凌

毛纺科技 2022年9期

段先月，蔡宇凌，姜涛

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

据《中国废旧纺织品再生利用技术进展》白皮书数据显示，中国每年消耗的纺织纤维达3 500万t，每年产生的废旧纺织品超过2 000万t，但2017年和2018年中国废旧纺织品回收量只有350万t和380万t，2018年再生利用率仅达到19%[1]。目前废旧纺织品的回收利用率不高，大部分废旧纺织品以固废形式被处理，再利用技术有限且没有得到广泛应用。废旧纺织品主要是由天然纤维与合成纤维制成，可作为纤维[2]、琥珀酸[3]、乙醇[4]、酶[5]等的原材料，棉纤维与合成纤维都含有碳元素，可作为活性炭(active carbon, AC)的原材料[6]。国际回收局(BIR)于2008年在哥本哈根大学通过研究分析得出：每合理利用1 kg的废旧纺织品，就相当于减少排放3.6 kg CO2，节约6 000 L水，减少使用0.3 kg化肥和0.2 kg农药[7]。我国废旧纺织品产生量巨大，废旧纺织品的回收再利用将有助于我国CO2排放量在2030年达到峰值，在2060年实现碳中和。

目前针对废旧纺织品再利用的研究一方面侧重于废旧纺织品回收利用情况；另一方面侧重于某一种纺织品回收再利用技术[5-6,8]，但有关利用废旧纺织品制备活性炭的影响因素的研究还较少，本文针对利用废旧纺织品制备活性炭的影响因素进行现状分析和发展趋势研究，对主要影响因素及其应用做相应的阐述，以期为废旧纺织品的开发利用提供新的思路。

1 废旧纺织品原材料分类

废旧纺织品原材料按成分可分成天然纤维和化学纤维2类，其中化学纤维又包含合成纤维和人造纤维。废旧纺织品中都含有碳、氢、氧元素，经过炭化活化能够形成具有丰富孔隙结构的碳质材料，这些材料均能作为制备活性炭的原材料。

2 废旧纺织品制备活性炭的影响因素

废旧纺织品制备活性炭的工艺流程与传统活性炭相似，都是先经过预处理，再进行炭化活化，即得到纺织品基活性炭。其工艺流程为：原材料→预处理→炭化→活化→活性炭。

废旧纺织品活性炭制备主要涉及4个影响因素：①制备活性炭的原材料；②活化剂；③炭化活化温度；④炭化活化时间。这4个因素对制备活性炭影响极大。

2.1 原材料

目前以废旧纺织品为原材料制备活性炭时，大部分用的都是单一原材料制成的纺织品，主要以棉为主，其次为涤纶、腈纶等材料。不同原材料制得的活性炭物理性能具有较大差异，具体见表1。

表1 不同材质纺织品制得活性炭的物理性能Tab.1 Physical properties of activated carbon prepared from different textiles

目前，对碘吸附量大于1 000 mg/g的传统活性炭生产成本约为11 000元/t；废旧纺织品回收价格为1 500～3 000元/t，未分类的破旧衣服1 t只有几百元，制成活性炭的成本远达不到11 000元/t，采用废旧纺织品制成的活性炭成本远低于传统材料(木质材料)制成活性炭的成本。

目前废旧纺织品制备活性炭采用的都是单一原材料，无论是使用棉做活性炭，还是使用涤纶、腈纶都可制成具有较大比表面积的活性炭，但都无法使废旧纺织品得到大范围的再利用，因为单一原材料都将黏合衬、缝纫线等进行了人工剔除，实际操作难度较大，单一材料制备活性炭推广应用范围较窄。而使用2种及2种以上的原材料做成活性炭，其有关制备参数及性能还需要进一步研究。

2.2 活化剂

活性炭的吸附性与其自身含有的空隙、官能团有关。活性炭活化影响着活性炭空隙、官能团的形成。活化剂是影响活性炭活化的主要因素之一，研究者使用较多的活化剂有ZnCl2、H3PO4、FeCl3、MgCl2等，废旧纺织品制备活性炭过程同传统活性炭制备过程一样，也需要炭化活化，使用的活化剂也相似。常用活化剂的相关研究见表2。

由表2可知，常用的活化剂主要为ZnCl2，H3PO4,FeCl3，还有镁的相关化合物[24]。活化剂及其用量对活性炭的比表面积、吸附量有重要的影响。活性炭与活化剂混合比例的相关研究成果见表3。

表2 常用活化剂Tab.2 Commonly used activators

表3 活性炭与活化剂混合比例研究Tab.3 Study on mixing ratio of activator and activated carbon

由表3可知，在一定程度上，活化剂与原材料的比值越大，得到的活性炭的比表面积越大。酸、碱性活化剂对设备防腐蚀性要求较高，氯化锌毒性较强，产生的气体对环境污染较大。对于环保型的活化剂及混合材料活化剂的选择及用量还有待进一步探究。

2.3 炭化活化温度

在活性炭制备过程中，除活化剂外，另一个影响活性炭性能的因素是炭化活化温度，温度对材料里面可蒸发的水分、气体、活化剂都有直接的影响。炭化活化温度对活性炭比表面积的影响结果见表4。

表4 温度对活性炭比表面积的影响Tab.4 Effect of temperature on specific surface area of activated carbon

从表4可看出，废弃棉/亚麻混纺织物、腈纶纺织品原材料一样，随着炭化活化温度的升高，制得的活性炭比表面积增加。即在适当的高温下更容易进行炭化活化，可获得性能较高的活性炭[32-33]。

在炭化活化过程中，需要将炭化材料放进管式炉或马弗炉中进行升温炭化活化，但升温速率不是主要的影响因素。马承愚等[34]对废弃麻制备的活性炭热解过程进行了研究，发现在不同升温速率下，活性炭热解过程是一致的，升温速率对炭化过程中反应影响较小。

温度对活性炭在炭化活化过程中分子运动的快慢、化学反应的变化及其进程都有直接的影响，而升温速率不是主要影响因素，但温度对于其他材料或混合材料的影响如何、是否有更快更节能的加热方式及是否可以在相对较低温度下进行炭化活化，还有待进一步研究。

2.4 炭化活化时间

在炭化活化过程中，炭化活化时间及在活化前与活化剂的接触时间也是一重要因素。

Illingworth等[35]以废弃亚麻物质为原材料，研究了炭化时间对活性炭的影响，研究表明，炭化一段时间后的活性炭比表面积为1 177 m2/g，再炭化2 h后比表面积达到了1 656 m2/g。也有研究者得出相似结论，Baheti等[36]以丙烯酸纤维为原料，发现炭化时间越长，制得活性炭的比表面积越大，其制得的活性炭的比表面积最大为432 m2/g。

在使用活化剂活化时，炭化材料与活化剂接触时间也是影响因素之一。斐盼盼[37]以含棉量高于90%的废旧棉质床单作为原材料制备活性炭，炭化温度为350 ℃，炭化时间为40 min，在炭化完成后，发现有纤维未完全裂解，具有初步的碳骨架，再继续用活化剂进行活化，在KOH溶液中浸渍16 h，活化时间为50 min，最终得到的活性炭比表面积为1 314.86 m2/g。孙利娜[38]以废旧纺织品(纯棉织物)制备活性炭，以磷酸为活化剂，浸渍时间为24 h，制得的活性炭对碘的吸附量为967 mg/g，活性炭产率为37.96%，但整个制备工艺耗时过长。

Satoshi等[39]以废棉制成活性炭，研究表明，随着活化时间的延长，微孔产率降低，但活性炭比表面积会线性增加，最终活性炭的比表面积约为1 000 m2/g。

炭化活化时间是影响活性炭制备的主要因素之一。炭化活化时间过短不利于原材料与炭化活化剂充分接触，影响活性炭造孔、改性效果；时间过长，会增加能源、时间成本，不利于技术推广应用。

3 废旧纺织品基活性炭的应用

废旧纺织品活性炭在国防、食品、化工、环保、医疗等领域有着广泛的应用。在国防领域可用于防毒面具气相吸附[40]；在食品行业中可用于糖脱色[41]；在环保领域可用于处理废气、废水及土壤修复；在医药上可用于解救急性中毒或净化血液[42]，还可作为储能材料。Zeng等[43]以牛仔布废料为前驱体，制备出掺氮多孔炭材料(NDFC-MSP)，比表面积为1 975.2 m2/g，作为储能材料在10 A/g条件下展现出230 F/g的电容量，在1 A/g电流下进行5 000次充放电后依然可以保持95.5%的电容量。

目前，废旧纺织品活性炭主要应用于废水处理[44]。Eid等[45]利用纺织厂废棉纤维制备活性炭用于吸附废水中的纺织染料，发现在最初的10 min内活性炭吸附速率较快，之后吸附速率逐渐下降，在60 min左右达到吸附平衡。废旧活性炭适用于处理低浓度的染料废水，当染料浓度较高时，吸附效果较差。对于常见的染料，废棉活性炭都具有较高的吸附量。Wang等[46]采用热解法将废棉织物制备成活性炭，比表面积为1 463.5 m2/g，在30 ℃时，其对阳离子红2GL的吸附量为842.5 mg/g。

在水处理应用研究中，有研究者发现废旧纺织品基活性炭出现漂浮现象。牛耀岚[47]以废弃麻纺品为原材料，得到的麻纺基活性炭对碘的吸附量为1 070.24 mg/g，但麻纺织品在液相吸附时，活性炭出现漂浮现象，这既不利于吸附，也不容易进行回收再利用。对于纺织品基活性炭在液相中轻飘的问题，将其磁化是一种解决方法，即将废旧纺织品浸渍在铁离子溶液中，再进行炭化活化，得到的磁性活性炭可用于液相吸附[48-50]。