活性碳纖維的改性技術及在水處理方面的應用

元 麗，梁 芳，何 冰，張 楠，鄭 妍

（沈陽科創化學品有限公司，遼寧沈陽 110144)

活性碳纖維的改性技術及在水處理方面的應用

元 麗，梁 芳，何 冰，張 楠，鄭 妍

（沈陽科創化學品有限公司，遼寧沈陽 110144)

綜述了活性碳纖維（ACF）的改性方法，其中當前應用最廣泛且備受關注的改性方法包括兩種，分別是孔結構調整與表面化學改性，最具代表性的則是后者，涉及到的方法有熱處理、氧化還原法等一系列較為常見的方法，在此基礎上進一步介紹了改性后的活性碳纖維在飲用水、有機廢水、重金屬廢水、焦化廢水方面的技術應用。

活性碳纖維；改性；水處理；應用

1 概況

所謂的活性炭纖維被稱為ACF，在20世紀60年代興起，屬于碳質吸附劑。從整體角度分析，活性碳纖維是較為新穎的碳質吸附劑，不僅表面積大、微孔豐富、吸附力強，并且自身所具備的吸附動力學性能比較高，同時，ACF耐酸、堿，耐高溫，適應性強，導電性和化學穩定性好。因此，ACF在廢水處理、飲用水凈化等方面得到了廣泛的應用。

2 活性碳纖維的改性技術

單純而言，活性碳纖維之所以表面積大，反應活性強，主要是因為自身的納米孔體系比較豐富，并且不飽和碳原子眾多，這樣一來，可給予可塑性，尤其是改良之后的活性碳纖維，無論是表面積數量還是種類，均得到改善。經過歸納與總結，活性碳纖維當前改良主要體現在兩點，分別是對孔結構進行調整以及對表面化學進行改性。

2.1 孔結構調整

理論分析，對孔結構進行調整主要的方法是將孔體積增大，將微孔比例提高，之所以進行孔結構調整主要是改變吸附劑直徑與分子的尺寸，實現吸附比例的完善性，提高效率。當前孔結構調整主要采取的方法眾多，應用廣泛的則包括活化法、碳沉積法等。從另外一個角度分析，進行孔結構調整的時候，主要是利用磷酸氫二鈉與硝酸鈣，通過浸泡與活化的方式，不斷增加活性碳纖維的中孔，當然，還會采取氯化鈉的方法，但是這種模式下會在一定程度上增加孔隙，無法保證孔壁的規則性，最為重要的便是孔結構需要利用其質量比加以控制與改善。

2.2 ACF表面化學改性

由于活性碳纖維的特異吸附性不強，不能滿足人們各式各樣的需求。為了更好地挖掘活性碳纖維的應用潛力，需要對活性碳纖維進行適當地改性，目前活性碳纖維表面改性的技術主要包括化學溶液浸漬，熱處理，化學氣相沉淀，氧化還原法等。

2.2.1 化學溶液浸漬

化學溶液浸漬是比較常用的一種方法，主要是將其浸漬在鹽溶液之中，這樣一來能夠促使纖維表面盡可能的吸附金屬離子，并且還能夠及時還原成金屬單質，如此方可應用金屬所產生的化學反應，不斷提高活性碳纖維的吸附能力。據了解，在采取化學溶液浸漬中主要會選擇的物品有鹽酸、硫酸等，甚至還有諸多金屬化合物溶液。對高比表面積的活性碳纖維進行了氟化處理和Ni負載，分別研究改性后樣品的儲氫性能。氟化后的活性碳纖維微孔體積減少但是單位體積的儲氫量卻增加了；而經過Ni負載后的樣品其微孔體積并沒有發生改變，但是由于表面負載的Ni的催化活化作用，其儲氫量也大幅度増加。

2.2.2 熱處理

熱處理可分為高溫熱處理和微波處理。高溫熱處理是指在惰性氣氛中通過高溫加熱的方法使活性碳纖維表面化學性質發生改變的一種改性方法。在高溫條件下ACF表面的官能團迅速分解，造成纖維的孔結構以及比表面積發生變化，從而達到改性的目的。活性碳纖維在熱處理之后自身的疏水性會得到增加，并且表面能夠釋放一定的物質，從本質上分析，雖然熱處理在一定程度上提高了活性碳纖維的氧化反應活性，但是從其他角度探究，自身的吸附能力還會存在缺陷。與此同時，活性碳纖維經過熱處理之后還可以形成不含氧的堿性物質，形成石墨化，石墨微晶進行游離，使其具備堿性。微波改性是一種新型的活性碳纖維改性方法，與傳統熱處理方法相比，微波改性時間短、能量利用率更高，同時改性過程中惰性氣體消耗量也變少了。使用微波改性法改性ACF，改性結果顯示微波改性后使樣品孔容和孔徑減小，而且使其表面產生堿性基團吡喃酮，但是改性前后等電荷點位并沒有發生大的改變。

2.2.3 化學氣相沉淀

改性方法不僅包括以上幾種，化學氣相沉淀法也是其中具有代表性的方法，并且利用該方法能夠及時引入特殊的官能團。根據相關實驗得知，尤其在一定的溫度下，可以利用化學氣相沉淀進行處理，比如在摻雜氮的瀝青基的時候，能夠發現活性碳纖維表面的氮含量增多，尤其是吸附能力不斷提高，氮的濃度會不斷提升。這樣一來可以進一步增加其吸附量，也會提高親水性。

2.2.4 氧化還原法

根據原理得知，氧化還原法是應用強氧化劑實現對活性碳纖維表面的氧化，這樣可以進一步增加活性碳纖維自身的物質數量，可不斷增強其表面的極性。當然，氧化還原法還稱為氣相法，Shim等[1]分別對瀝青基活性碳纖維進行了硝酸和堿改性研究，結果表明，經過1mol/L的硝酸氧化之后，活性碳纖維的比表面積從1 462m2/g減少至1 226 m2/g，但是表面酸性官能團的數量增加至原來的3倍，改性后的樣品離子交換

性能增加。張學軍等[2]將ACF浸泡在一定濃度的濃硫酸中使其氧化，經氧化處理后ACF表面的羧基減少而酚羥基增多，ACF表面含氧官能團的總量增加，且45min氧化處理后，ACF對乙醇的吸附量增加了18%，對N-甲基吡咯烷酮的吸附量提高了近3倍。

3 改性活性碳纖維的在水處理方面的應用

隨著經濟的發展，工業廢水和城市生活廢水的排放量也逐年增加，可用水逐年減少，目前國內外利用改性后的活性碳纖維處理廢水成為研究熱點。

3.1 ACF在飲用水處理方面的應用

活性碳纖維對地下水具有明顯的澄清和凈化作用，可有效去除水中的有害物質，還可以濾除水中的細菌。很多ACF家用凈水器逐漸被開發出來，具有很好的凈化效果。另外，在工業用水中，活性碳纖維還能用于循環冷卻水和鍋爐用水的凈化過程，ACF能有效去除水中的鈣鎂離子，起到除污防垢的目的。日本學者對ACF吸附水溶液中鹵代烴曾進行過實用性研究，在實驗中發現活性碳纖維吸附量受到其他因素的影響，比如所吸附的GHGI要遠遠大于GAC，并且這一系列的過程不會出現漏吸的現象，也不會因為粉化發生污染現象。除此之外，活性碳纖維在低濃度的情況下，對三氯甲烷等物質有去除的作用，并且經過實驗得知，其吸附速率與吸附容量均要比其他物質更加明顯。故此依據這一實驗，日本相關單位開發凈水器，甚至還將河流湖泊的水變為飲用水。

3.2 ACF在有機廢水處理方面的應用

唐登勇等[3]采用活性碳纖維（ACF）吸附處理對硝基苯酚（PNP）生產廢水，考察了動態吸附和脫附過程。實驗結果表明，在298K、pH＝4時，最佳進水流量為0.25L/h，ACF的有效吸附量為439.3mg/g，PNP去除率大于99.95%，TOC去除率大于99.5%，脫附率大于99.5%，ACF的吸附-脫附性能穩定。ACF吸附和電解相結合的工藝能有效去除廢水中的有害物質，回收利用PNP和氯化鈉，實現了PNP的清潔生產。呂松等[4]對ACF處理染料生產廢水進行研究，結果表明，用40g ACF處理0.6L燃料生產廢水，CODCr可由3 076mg/L降到150mg/L，去除率達95%。

3.3 ACF在焦化廢水處理方面的應用

石油焦化化工廢水水質成分復雜、水質水量波動頻繁、有毒有害物質含量高，對環境造成的威脅大。張培等[7]采用活性碳纖維靜態吸附模擬廢水中的喹啉，結果表明，ACF對喹啉的吸附速率快，30min內基本達到平衡，初始濃度較高時，最終吸附容量較大，達210mg/g，低溫和pH值小于7時，吸附效果較好。孟潔等[8]采用活性碳纖維對石化廢水進行處理，考察了該材料對CODcr、氨氮、揮發酚、石油類的去除率，研究了活性碳纖維對石化廢水凈化的機理。結果表明，活性碳纖維對石化廢水中的CODcr、氨氮、揮發酚、石油類的去除率分別可高達80.4%、95%、94.6%、67.7%。

4 結束語

綜上所述，在時代的不斷發展下，有關活性碳纖維改性的研究越來越多，然而根據分析與了解得知大多數研究僅僅停留在實驗室階段，并沒有真正發揮其作用與價值。除此之外，其成本較高，所以活性碳纖維的價格比較高，且表面結構具有可變性，很多情況下，會導致表面問題與污染物反應機制無法進行深層次研究，所以在這種發展趨勢下，需要從實際出發，并針對性地進行探究，對其反應機理展開分析，加強對科學技術的應用，利用新工藝，不斷降低生產成本，真正發揮出活性碳纖維的作用與價值。

[1] Shim J W，Park S J，Ryu S K.Effect of modification with HNO3and NaOH on metal adsorption by pitch-based activated carbon fibers[J].Carbon，2001.

[2] 張學軍，范國強.活性炭纖維的氧化處理研究[J].環境污染治理技術與設備，2005.

[3] 唐登勇，鄭正，郭照冰.活性碳纖維吸附處理對硝基苯酚生產廢水[J].化工環保，2009.

[4] 呂松，袁斌，楊曉光，等.染料生產廢水的活性炭纖維處理研究[J].東北電力學院學報，1999.

[5] 吳艷林.活性炭纖維處理含鎘廢水的研究[J].遼寧城鄉環境科技，2002.

[6] 肖樂勤，陳霜艷，周偉良.改性活性炭纖維對重金屬離子的動態吸附研究[J].環境工程，2011.

[7] 張培，張小平，方益民，等.活性碳纖維對水中喹啉的吸附性能[J].化工進展，2013.

[8] 孟潔，李蘭，陳攀.活性碳纖維在石化廢水處理中的應用研究[J].中國農村水利水電，2015.

Modification Technology of Activated Carbon Fiber and Its Application in Water Treatment

Yuan Li，Liang Fang，He Bing，Zhang Nan，Zheng Yan

The modification method of activated carbon fiber（ACF）is reviewed.Among them，the most widely used and modified methods include two kinds of modification methods：pore structure adjustment and surface chemical modification.The most representative is the later This paper further introduces the application of modified activated carbon fiber in drinking water，organic wastewater，heavy metal wastewater and coking wastewater.The application of modified carbon fiber in drinking water，organic wastewater，heavy metal wastewater and coking wastewater is also introduced.

activated carbon fiber；modification；water treatment；application

X703

A

1003–6490（2017）11–0095–02

2017–09–18

元麗（1981—），女，遼寧沈陽人，工程師，主要從事化工分析工作。