炭纤维厚度对吸附功能的影响

本文作者：杨 莉 单位：安徽工程大学安徽省纺织面料重点实验室

活性炭纤维(ActivatedCarbonFiber，ACF)，亦称纤维状活性炭，是活性炭继颗粒状和粉末状两种形态外的又一种存在形态。众所周知，比表面积、孔径尺寸及分布是影响活性炭纤维吸附性能的重要因素，但活性炭纤维的形态及厚度对吸附性能的影响少有专题报道。本试验就不同比表面积、不同厚度的活性炭毡和活性炭布对吸附性能的影响进行了初步探讨。活化工艺是制备活性炭纤维的主要工艺，也是影响活性炭比表面积及孔径分布的重要工艺过程。本文选用相同的活化工艺，对不同形态和厚度的聚丙烯腈基活性炭预氧化毡和布进行活化处理，制备了具有相同孔径结构的活性炭纤维，研究了在一定条件下，活性炭纤维形态和厚度与吸附性能之间的关系。

1试验部分

1．1样品准备颗粒状活性炭(GAC)，沈阳市新亚试剂厂，颗粒尺寸0．325～0．453nm，平均孔径4．9nm，比表面积1028m2/g。活性炭纤维采用聚丙烯腈基预氧化毡和布(安徽佳力奇碳纤维有限公司提供)经炭化活化制得。炭化及活化温度均控制在800～900℃，炭化时的升温速率为30℃/min，炭化时间为1h。采用磷酸进行活化处理，用体积分数35%的磷酸溶液浸泡预氧化毡和布24h，然后置于炭化活化炉中，在氮气保护下升温到预设温度，总升温时间为90min，制得聚丙烯腈基活性炭纤维毡和布。

1．2活性炭纤维的性能表征吸附等温线采用美国麦克公司ASAP2000型自动吸附仪测试，以高纯度(99．99%)液氮为吸附介质，在液氮温度(77．4K)下进行吸附，相对压力为10－6～1的范围内测定，所有的样品测试前均在200℃下脱气2h。采用BET法计算活性炭纤维的比表面积，由相对压力为0．98时的氮吸附值换算成液氮体积得到总孔体积，采用DFT表征全孔分布［2］。用扫描电镜观测活性炭纤维的表面形态。

1．3活性炭纤维的吸附性能测试

1．3．1碘的吸附分别称取50mg的活性炭纤维及颗粒状活性炭，加入到50mL、5×10－4mol/L的碘溶液中，恒温(30℃)下充分振荡吸附，一定时间后用浓度为0．025mol/L的硫代硫酸钠测试碘的剩余浓度，根据浓度差求出每克活性炭吸附碘的毫克数［3］。

1．3．2苯酚的吸附分别称取50mg的活性炭纤维及颗粒状活性炭，加入到50mL、2×10－3mol/L的苯酚溶液中，恒温(30℃)下充分振荡吸附，一定时间后测定苯酚的剩余浓度，根据浓度差求出每克活性炭吸附苯酚的毫克数［4］。

1．3．3亚甲基蓝的吸附取一定质量的ACF试样，加入一定质量的亚甲基蓝标准溶液中，在恒温水浴振荡器上振荡一定的时间，静止过滤后，用SP-756型紫外可见分光光度计测量吸附后溶液的浓度，求出每克ACF试样吸附亚甲基蓝的毫克数［5］。

2数据分析与讨论

2．1活性炭纤维的形态表征图1所示为厚度为3．0mm的活性炭纤维毡的吸附等温线。根据IUPAC分类法可知，所制备的活性炭纤维的吸附属于Ⅰ型吸附等温线。在吸附过程的前期，吸附速度随着相对压力的增大变化较快，并且在变化过程中未出现明显的滞后洄线。但是随着吸附量的增大，在吸附后期出现了明显的滞后环，这说明活性炭纤维中含有一定量的中孔。表1列出的活性炭纤维的形态参数也充分说明了这一点。图2所示为活性炭纤维的表面形态，在扫描电镜下可观测到纤维是由大量形状不甚规整、尺寸不等的原纤明显地沿轴向排列起来，并形成了少量深浅不一的纹理沟槽与不连续且不规则的空隙及楔形轴向裂纹。

2．2形态对吸附速度的影响分别在2、5、10、15、20、25和30min测试亚甲基蓝的浓度，绘制活性炭对亚甲基蓝的吸附速度曲线，如图3所示。图中纤维状活性炭对亚甲基蓝的吸附速度明显大于颗粒状活性炭，活性炭毡的吸附速度略大于活性炭布，即在吸附的初始阶段，活性炭毡可达到饱和吸附值的66%，活性炭布也可达到饱和吸附值的60%，而颗粒状活性炭仅达到饱和吸附值的29%左右。分析其原因，主要是活性炭纤维的孔径以微孔为主，且孔隙大都分布在纤维的表面，被吸附分子不需要扩散就可到达吸附表面的微孔内;而颗粒状活性炭的吸附需要被吸附分子经过大孔和中孔的扩散才能被微孔吸附。因此，纤维状活性炭的吸附速度大于颗粒状活性炭。

2．3形态对吸附性能的影响表2所示为颗粒状活性炭与活性炭纤维对苯酚、碘及亚甲基蓝的吸附测试结果。结果表明，活性炭纤维的吸附性能明显优于颗粒状活性炭，在比表面积相近的情况下，活性炭毡的吸附性能略优于活性炭布。活性炭布与活性炭毡相比，孔隙率较大，对吸附质的阻力较小，而活性炭毡结构为单纤维，在空间上交错排列，形成三维的立体结构，更有利于对物质的吸附。

2．4厚度对吸附性能的影响分析活性炭纤维对碘的吸附测试结果发现，相同质量的活性炭纤维的吸附能力并不是随着织物厚度的增加而线性增强的。活性炭毡的吸附性能反而随着厚度的增加逐渐降低，活性炭布也随着厚度的变化而出现吸附性能的振荡。分析其原因，主要是具有相同比表面积的活性炭纤维，在质量相同的情况下，厚度增加，织物的面积减小，即与吸附质的接触面积减小，因此会影响活性炭的吸附能力。同时，活性炭纤维的吸附是物理吸附与化学吸附综合作用的结果。其中，物理吸附可以比作凝聚现象，即在活性炭晶体的诸多晶面上，碳原子以共价键与相邻的三个碳原子相键合，在晶格中形成空穴和空隙，其中处于晶体边缘的空穴或空隙将出现未饱和键，这些未饱和键具有吸附活性。因此织物的面积减小，将会影响活性炭纤维的吸附能力。

3结语

(1)活性炭纤维的吸附速度比颗粒状活性炭大，活性炭毡的吸附速度略大于活性炭布。(2)在条件一定的情况下，活性炭毡的吸附性能略优于活性炭布的吸附性能。(3)同质量的具有相同比表面积的活性炭纤维的吸附能力并不随着织物厚度的增加而线性增强。