活性炭纖維在大氣污染治理方面的應用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江蘇 南京 210000）

活性炭纖維在大氣污染治理方面的應用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江蘇 南京 210000）

本文介紹了活性炭纖維（ACF）比表面積大、微孔結構發達、孔徑小等特性，并概括了活性炭纖維在吸附大氣污染物，特別是煙氣中的SOx、NOi等污染物的顯著效果及作用機理，并提出一些提高活性炭纖維品質的途徑。

活性炭纖維；大氣污染治理

目前主要的能源供給來自于煤、石油和天然氣等化石燃料，化石燃料燃燒會產生大量的氣態污染物，主要包括SOx、NOi等。大規模的工業生產中也會產生相應的有機廢氣，如甲苯等。隨著生活水平的提高，人們的環保意識也在不斷增強，所以，大氣污染物的控制技術受到越來越多的關注。

1 活性炭纖維（ACF）特性

（1） 比表面積大，ACF的比表面積一般能達到1 000～1 500 m2/g，甚至3 000 m2/g，因此，ACF是理想的吸附材料，可在脫附氣體污染物方面使用。

（2）微孔結構發達，ACF微孔的體積達到總孔體積的90%以上，吸附容量是普通粒狀活性炭的1.5～10倍，因此ACF的吸附效率大大提高。

（3）表面含有大量有機官能團，這些有機官能團加強了ACF的氧化還原能力，使得它可以催化某些化學反應。

（4）良好導電導熱性、耐高溫，使得它既能用于電吸附，又能適應高溫環境。

2 活性炭纖維（ACF）在治理大氣污染中的應用

鑒于活性炭纖維（ACF）具有以上優點且可重復使用，故其可以被大面積用于空氣凈化。目前大氣的主要污染物為SO2、NOi、H2S，故針對治理這幾種氣體的作用機理及應用現狀介紹如下。

2.1 ACF脫除SO2

2.1.1 作用機理

以在氧氣和水蒸氣存在下ACF氧化脫除SO2為例，其機理為：在活性位上SO2經過一系列的物理化學反應和表面重整，轉化為硫酸，然后經過水合的硫酸脫附或者被洗滌脫出。然而該過程主要存在兩個方面的分歧：在SO2轉變為SO3的過程中氧的狀態、速率控制步驟。

關于SO2氧化為SO3的過程，有些人認為其符合Langmuir-Hinselwood模型，另外一些學者認為其符合Eley-Rideal模型。前者假定吸附的氧氣以氧分子或者游離態與吸附的SO2反應，而后者認為氣相的氧氣以分子狀態與吸附的SO2反應。而在速率控制步驟上存在這樣的分歧，一些學者提出整個反應的控速步驟是SO2氧化，而反對者認為是硫酸的洗脫。這樣，水被假定有雙重作用，一重是與吸收的SO3反應生成水合硫酸，另一重則是解離活性炭纖維表面吸附的硫酸。那么我們得到ACF參與氧化去除SO2過程的順序：SO2和水吸附→SO2氧化形成吸附的SO3→SO3水合形成吸附的硫酸→硫酸被洗脫（以水合硫酸形式），洗脫硫酸釋放的空位（活性位）得以繼續地進行吸附。

實驗結果表明，SO2的轉化率隨著水濃度的增大而增大，說明更多的水加速了硫酸的洗脫，提高整個反應速率。根據這個特征可以假設：兩種反應機理都是最后一步反應最慢，即為速率控制步驟。

2.1.2 應用

由于活性炭纖維具有優良的吸附性能，許多研究者研究了活性炭纖維脫除SO2的效果。晁攸明等研究了活性炭纖維脫除空氣中SO2的效果，廢氣在通過ACF（經過熱處理）后，SO2脫除效率在46%以上。結果分析表明，由于熱處理增強了含N活性炭纖維對SO2和O2的吸附作用，加速了SO2的氧化從而提高了脫硫效率。在大規模治理含硫廢氣領域，ACFs應用前景廣闊。

2.2 ACF脫除 NOx

2.2.1 作用機理

很多學者對活性炭吸附NOx進行研究。根據Shirahema等的研究，ACFs吸附NO2反應機理如圖1所示。可以看出，ACFs在吸附NO2過程中有兩種吸附位。位1（Site 1）強烈地吸附NO2分子，尤其是在初始階段，在O2濃度為10%時發生了明顯的岐化作用，產生了NO，表面只剩下N2O3。位2（Site 2）吸附NO2較弱較慢，直到達到吸附飽和時才停止，最終導致NO2吸附穿透。N2O3加熱分解生成NO2和NO，同時表面剩下的氧與碳反應生成CO2、CO。

2.2.2 應用

NO是典型的大氣污染物，因它自身的特殊特性，只有極少數微孔固體對NO有吸附作用。很多科學家研究通過負載過渡金屬氧化物的方法，提高ACF對NOx的吸附能力。

圖1 ACFs吸附NO2反應機理

郭世永等研究結果表明，不同金屬氧化物的引入可大大提高活性炭纖維脫除NO的性能。負載銅—鈷和銅—鈰復合金屬氧化物在ACFs中的兩種組分有協同效應，在一定溫度下有很高的反應活性和更長的壽命。Aleaniz-Monge等利用含鐵瀝青制備的活性炭纖維，在脫除NO方面有較高效率且在500 K即可再生。

2.3 ACF用于其他氣體脫除

J Przepiorski，Yoshida等 用 KACF脫 除 H2S。他們認為用K2CO3預處理后再進行活化得到的ACF 對H2S的處理效果最好，并認為其在潮濕環境中有利于脫除H2S，在反應過程中有S元素和KHCO3生成。

此外，在回收三氯乙烷和二氯甲烷之類的強腐蝕性溶劑方面，ACF也具有傳統工藝無法達到的優越性。傳統的GAC工藝中少量溶劑尾氣在過渡金屬（Cu、Fe等）的催化作用下會水解成鹽酸、氯乙醇等有機物導致pH值下降，腐蝕設備，且GAC回收成本較高。若使用ACF回收，其中金屬含量只有GAC的1/2～1/10，這樣就抑制了催化作用，降低了對裝置的腐蝕。同時用ACF回收的溶劑質量好，無需蒸餾就可再用，降低了成本。ACF還可用于吸附去除苯乙烯之類產生惡臭的物質，同時對CHCl3、CHBrCl2和CHBr2Cl的吸附量也較大。

3 結語

活性炭纖維在大氣污染物治理方面的應用研究越來越受到關注。由于大氣污染物治理相較于污水處理難度更大，研究者們正全方位的研究如何提高ACF在治理大氣污染物方面的應用效果。他們從原材料制備技術（纖維的種類、來源、活化機制等）、表面反應的控制（氣固反應機制的研究、催化劑載體催化吸收、掛載納米炭纖維等）、活性炭纖維的表面改性等方面都做出了努力，并力爭在選擇合適的工藝后進行系統集成，這也是今后的研究方向。

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（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，初級，本科學歷，研究方向為高分子材料。

2015-10-12