碳纖維功能材料的應用及其再生的研究進展

楊夯，于曉彩，聶志偉，王力萍，郭美岑，劉京華

(大連海洋大學 海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023)

ACF是一種新型高性能吸附分離功能材料。傳統的碳材料(如活性炭)作為吸附材料吸附速度較慢，分離效率不高，又因為它的物理形態限制使它的應用范圍受到了限制。相比之下，ACF由于其較大的比表面積和較好的孔徑，在許多方面有著較好的應用[1]，除了作為吸附材料外，ACF還可作為功能材料運用于環境中[2-3]。

ACF造價并不便宜，使用后不加處理投放到環境中會造成二次污染，需要對其進行再生，實現資源的重復使用。目前國內外針對ACF的再生研究較少，有待于進一步發展。

1 ACF功能材料研究的方向

ACF作為功能材料時，主要應用于載體和電極中，因此可以從光催化材料、電極材料、生物材料三個方面介紹。

1.1 ACF復合光催化材料

大部分光催化材料都為納米級，為了方便使用和回收，在使用時需要進行負載。ACF具有較高的比表面積，是一種較好的載體，ACF作為載體能對污染物進行有效富集、濃縮，還具有光催化協同效應[4-5]，為催化劑提供高濃度反應環境，促進光催化的降解速率。

Yamashita 使用了離化團粒束法制備了TiO2/ACF催化劑，結果表明負載在ACF表面的TiO2沒有任何明顯的損傷，且能夠有效的降解水體中的烷基醇、二氯乙烷[6]。

1.2 ACF電極

常見的電極材料多為可溶性電極，存在著損耗大、耐腐蝕性差、穩定性弱、能耗與成本高等問題。ACF是不溶性電極材料，具有良好的導電性，電催化活性，因此可作為電極材料開發。此外，ACF電極可將污染物吸附在電極周圍，提高了對污染物的降解效率[7]。

管玉琢使用自制三維電極作為反應器(圖1)，以ACF作為陰極，采用電Fenton方法處理焦化廢水中的苯酚，在pH值為3、反應時間為90 min、電解電壓為15 V、活性炭粒子投加量為40 g/L的最優條件下，對揮發酚去除率可達到89.3%[8]。Ramírezpereda使用ACF作為陰極，利用電-Fenton法降解酸性橙7，在電壓為1.8 V，電解40 min后酸性橙7的去除率可達到95%，其H2O2產生效率可達到96%[9]。

圖1 活性炭纖維三維電極Fig.1 Three dimensional electrode of activated carbon fiber1.槽體；2.陰極毒氣管；3.陰極；4.底部毒氣體；5.粒子電極；6.底部毒氣管；7.取樣口；8.攪拌器；9.陽極

1.3 ACF生物膜

ACF具有較好的生物兼容性和較高的微生物固著化速率，通過在ACF上掛載微生物，能夠發揮ACF的物理吸附作用，提高微生物的吸附容量和使用壽命，增強對水中污染物的降解能力[10]。

周娟娟用人工掛膜的方式，制備了兩種生物ACF，在最優工藝下，用該種ACF處理過的污水的COD指標符合國家飲用水標準，水質穩定[11]。Zhou[12]用聚丙烯腈基ACF作為生物膜，在難以生物降解的工業有機廢水環境下，生物質能夠在ACF膜上快速的繁殖，并且COD的去除效率較高。

2 活性炭纖維再生的研究

活性炭纖維再生方法主要有溶劑再生、超臨界流體再生、微波再生、電化學再生以及電熱再生。

2.1 溶劑再生

溶劑再生法是利用特定酸、鹽或堿溶液作為再生劑，改變溫度、pH等條件，打破ACF、再生劑與表面污染物三者之間的相平衡關系，將ACF上吸附的污染物解吸出來[13]。

溶劑再生法是最為普遍的再生方法，操作簡單，再生效果較好，但需要額外的試劑投加。

李忠振研究了鹽酸、硫酸鈉、氫氧化鈉三種溶劑對氨氮飽和ACF的再生效果，發現0.1 mol/L的氫氧化鈉對ACF的再生效果最為明顯，再生率可達到93.7%[14]。

2.2 超臨界流體再生

超臨界流體有液體氣體的雙重性質，具有很強的溶解性和擴散性[15]，可將沉積在ACF表面和孔道內的污染物溶解脫附，以實現ACF再生。

超臨界流體再生效果好、ACF損失小，但需要額外的試劑投加，且主要用于深度再生階段。

Sanchez-Montero用超臨界CO2和超臨界H2O深度處理苯酚吸附飽和的ACF，在經過初步的熱解處理和超臨界流體再生后，ACF的吸附能力得到完全恢復，甚至還有少許增加，即便超臨界H2O的使用壓力是超臨界CO2的3倍時，兩者對ACF的再生效果相差不大[16]。

2.3 微波再生

微波再生通過微波爐等介質釋放電磁輻射，ACF接收能量，表面吸附的污染物質的偶極和誘導偶極極化的作用下產生勢場，其方向不斷轉變并與外加電場方向保持相反，吸附質分子實現同步高頻振動，從而產生巨大的熱能使之分解、消散[17]。

微波再生能耗低，再生率高、污染小、耗時短，且對材料損傷小[18]，是一種熱門的再生方法。

胡思前研究了微波輻射再生吸附苯酚飽和的ACF的效果。使用NaOH作為再生劑，經過4 min的微波輻射后，ACF的活化度到達了91.27%[19]。段小平研究了微波輻射再生吸附甲苯飽和的ACF，結果表明，對吸附甲苯廢氣飽和的ACF，經過3～4 min的微波輻射后，ACF的解析率達到97%[20]。

2.4 電化學再生

電化學再生通過將ACF負載在電極上，在直流電流和電解液的作用下，ACF在電場作用下發生極化，形成微電解槽，使得ACF表面的污染物分解、脫附[21]。

和微波再生類似，電化學再生也具有效果好、污染低、效率高等特點，也能夠直接將ACF表面的污染物直接降解。

傅寶林研究了油吸附飽和的ACF的電化學再生(再生前后的ACF的SEM表征見圖2)[22]。結果表明，在電流密度為30 mA/cm2，pH值為4，再生劑為15 g/L的NaCl，再生時間為120 min時，ACF的再生率達到90%，并且在經過5次循環再生后依然有較好的再生效果。此外，由圖2可知，再生后的ACF表面沒有明顯損傷，同時ACF的整體結構并沒有發生斷裂。

圖2 再生前ACF(a)和再生后ACF(b)的掃描電鏡表征Fig.2 Scanning electron microscopy characterization of noregenerated ACF (a) and regenerated ACF (b)

2.5 電熱再生

ACF電熱再生將熱再生和電化學結合，將 ACF負載在電極上，在直流電流的作用下使電極通電發熱，將ACF表面的污染物蒸發，實現ACF的再生。

電熱再生本質為熱再生，耗時短、活化度高，對材料損傷小，且具體實現較為簡易。

李永貴研究了吸附甲醇飽和的ACF的電熱再生。結果表明，電熱脫附5 min后，ACF再生率就能達到91.3%，且ACF的損耗較小[23]。

3 結束語

ACF作為功能材料可多維度進行開發，目前主要研究的為載體、電極等方向，注重于關注ACF良好的電容性和巨大的比表面積。事實上，ACF還具有良好的拉伸強度、韌性等物理性質，可在此維度上進行進一步開發。

ACF的再生多數都是在使用后進行，在線同步再生的研究非常少，因而之后的研究方向可以注重于ACF的在線再生。