活性炭纖維表面加載催化劑工藝

王宇翔

摘 ?要：活性炭纖維（ACF）是被活化的含碳纖維，是將某種含碳纖維經過高溫活化，在碳表面產生納米級別的孔徑，增加碳的比表面，改變其物理和化學性質。本文主要分析活性炭纖維表面加載催化劑工藝，利用化學溶液浸漬法和煅燒法，將氧化銅、二氧化鈰等加載到活性炭纖維表面，這種方法較為簡單，而且還能得出準確的數據結論，提高活性碳纖維的吸附能力，從而為環境保護做出一定的貢獻。

關鍵詞：活性炭纖維;催化劑;表面加載工藝;催化劑制備

Abstract：activated carbon fiber（ACF）is an activated carbon fiber，which activates a kind of carbon fiber at high temperature to produce nanometer pore size on the carbon surface，increases the specific surface of carbon，and changes its physical and chemical properties. In this paper，the surface loading catalyst process of activated carbon fiber is analyzed. Copper oxide and cerium dioxide are loaded on the surface of activated carbon fiber by chemical solution immersion and calcination. This method is relatively simple，and can also draw accurate data conclusions to improve the adsorption capacity of activated carbon fiber，thus making a certain contribution to environmental protection.

Keywords：activated carbon fiber;catalyst;surface loading process;catalyst preparation

硫的氧化物是產生酸雨和光化學煙霧的主要因素，不僅破壞生態環境，還會對人們的身體健康造成一定的損害。因此，在實施保護環境舉措的過程中，消除硫的氧化物成為重要手段之一。根據大量研究調查結果分析，很多金屬物質具有一定的催化活性，特別是對一些污染物，而且對氧也有一定的親和力，能夠產生金屬氧化物，使得金屬物質催化作用被消除。隨著人們對碳材料的認識程度加深，碳材料逐漸成為催化劑被廣泛使用。[1]活性炭能夠凈化空氣、處理污水、凈化用水、電子和能源以及軍事防護中，而且還能將污水處理后重新利用。將活性炭應用于消除硫的氧化物中，能夠與之發生催化氧化反應，凈化一氧化氮廢氣，具有較好的應用效果。中山大學材料科學研究所曾對ACF進行研究，將ACF當做催化劑、氨氣當做還原劑，對一氧化氮進行催化還原反應。本次研究主要是分析活性炭纖維表面加載催化劑工藝，主要通過化學溶液浸漬法，分析活性炭表面加載催化劑的效果，從而達到改變活性炭纖維表面化學性質，增加比表面積、增強孔結構的目的。[2]

1 活性炭纖維表面加載催化劑實驗

1.1 實驗材料、儀器

碳纖維：使用日本公司的聚丙烯晴碳纖維。

其他材料： （硝酸銅晶體帶三個水分子）、 （六水合硝酸鈰）;純水、氬氣。

儀器：管式爐，化學實驗器皿、玻璃試管若干，真空干燥箱。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 ACF/氧化銅催化劑的制備

利用電子天平稱取四份0.5克的ACF，將其中三份ACF分別放在不同濃度的 溶液中，進行等體積浸漬，時間為24小時。待24小時靜置之后取出ACF放在干凈整潔的干燥箱中進行完全干燥處理，干燥箱的溫度設定為85℃。將另一份ACF放到純水中靜置24小時后取出放入干燥箱中進行干燥，并將其作為對照組。[3]將四份ACF放在管式電爐中進行加熱，利用氬氣進行保護，設置溫度為220℃，將 進行分解。待分解完成后，停止管式電爐加熱，并將ACF和氧化銅放置在充滿氮氣的環境中進行降溫處理，直至溫度達到常溫。對冷卻后的ACF和氧化銅進行稱量，同時計算實際催化劑的附著比例，從而制備不同氧化銅負載量的樣品。[4]

1.2.2 ACF/二氧化鈰催化劑的制備

采用和上述制備方法類似的方法制備ACF和二氧化鈰的催化劑， 的分解溫度為330℃。

1.2.3 ACF/ 催化劑的制備

利用電子天平稱取四份0.5克的ACF，采用上述同樣方法，選取一份為對照組，其余三份分被放在不同濃度的 、 混合溶液中。同樣制備不同負載量的ACF/ 催化劑，分解溫度為330℃。

2 活性炭纖維表面加載催化劑實驗結果分析

在完全附著情況下制備 溶液，得到理論負載量為10%的ACF/二氧化鈰催化劑實際負載量為3.69%，這個數據是多次研究后的平均數（實際負載量=多次（負載質量分數/總質量分數）相加/次數），數據準確、可靠。在研究實驗過程中，標記的負載量均為理論值。具體實驗數據如表1和表2所示。在經過多次研究后得出，實際催化劑的負載量約為理論負載量的三分之一，而且還可以根據實驗得出催化劑的附著量和元素的投放量具有一定的線性比例，如圖1所示，能夠為制作大面積的催化劑提供依據。[5]另外，在對所有制備樣品進行電鏡掃描后，發現催化劑的負載量隨著溶液濃度的升高而升高，且得到的活性炭纖維表面附著的催化劑較為均勻。從實驗中可以得出，當溶液濃度為30%時，實際負載量越高，這說明制備的催化劑附著較為均勻，能夠均勻的附著在活性炭纖維的表面。

本文研究采用化學溶液浸漬法探究催化劑附著情況，這個方法操作簡單，而且催化劑的制備過程也較為簡單，不需要大量的材料，也沒有復雜的數據計算。在實驗過程中，能夠有效控制ACF的使用劑量，盡管制備的催化劑負載量比理論負載量要地甚多，但是在等體積條件下，能夠有效控制物質的使用量，避免出現大面積的物質浪費，利用多次浸漬實驗，能夠提高催化劑的負載量。[6]

3 結論

總而言之，隨著人們生活水平的不斷提高，環境問題日益突出，不管是生產還是生活中，都會產生大量的廢氣、廢水等污染物，對生態環境造成嚴重的破壞，近些年來，大量湖泊、河流水域被污染、同時汽車數量逐年遞增，造成的環境污染和大氣、水土破壞越來越嚴重。探究活性炭纖維表面加載催化劑工藝，使用化學溶液浸漬法，通過對比試驗，得出催化劑實際附著比例以及實際負載量更高的溶液濃度，能夠為其他元素在活性炭纖維表面的加載實驗打下來能更好的基礎，而且還能為工業化裝置大規模生產提供數據支撐，提高生產效益。[7]在環境保護中應用活性炭纖維，能夠提高環境保護工作落實的質量，推動環保工作的發展。

參考文獻

[1] ?王承賓.活性碳纖維有機廢氣回收技術在清潔生產中的運用[J].科技創新與應用，2019（16）：159-160.

[2] ?都亞茹.改性活性碳纖維吸附氮氧化物的實驗研究[D].太原理工大學，2019.

[3] ?都亞茹，張興惠，楊姣姣.浸漬改性活性碳纖維吸附氮氧化物性能[J].環境工程學報，2019，13（07）：1694-1702.

[4] ?于麗媛，朱波.活性碳纖維表面加載催化劑工藝研究[J].高科技纖維與應用，2016，41（05）：53-56.

[5] ?秦建杰，王延相，牛芳旭，鄭林寶，王興輝，馬連茹，劉群，王成國.催化劑加載對連續碳纖維表面生長碳納米管的影響[J].材料導報，2017，31（S1）：1-5.

[6] ?Gil A，Taoufik N，García A M，Korili S A. Comparative removal of emerging contaminants from aqueous solution by adsorption on an activated carbon.[J]. Environmental technology，2019，40（23）.

[7] ?王延相，蘇順生，范汶鑫，秦建杰，瞿策，王成國.加載金屬催化劑在碳纖維表面生長多尺度碳納米管增強體[J].材料研究學報，2018，32（07）：495-501.