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活性炭纤维


有机化学物质从水相到活性炭纤维的吸附
许丹丹
(上海大学 环境与信化学工程学院,上海 200072) 摘要: 摘要:活性炭纤维是有机纤维材料经碳化、活化制成的一种新型吸附材料,具有独特的物理、化学 结构和吸附速率快、容量大、含碳量高、再生容易的特点,被认为是新世纪最有发展前景的吸附功 能材料。本文主要是针对废水中的有毒有害有机化学物质,对比活性碳纤维与其他类吸附材料的吸 附性能以及吸附特征,并找出最佳条件,为大规模的工业化应用提供理论基础,并对ACF的前景进 行了展望。 关键词: 关键词:活性炭纤维;吸附;有机污染物;应用

Organic chemicals from the water phase to the adsorption of activated carbon fiber
Xu Dandan
(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: Activated carbon fiber is a new type adsorbs material which was made from the organic fiber by carbonized and activated. Activated has the unique physics and chemistry structure, its characteristic is fast adsorption, large capability of adsorption, high cabon content and can be reproduced easily. It is considered to be the most promising adsorption functional materials in the new century. This paper is mainly talking about the poisonous and harmful waste organic chemicals, the adsorption properties and adsorption characteristic compared activated carbon fibers with other types of adsorption materials, finding out the best conditions, providing theoretical basis for large-scale industrialization application, and discussing the prospect of the ACF. Key words: activated carbon fiber; absorption; organic pollutants; application

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前言

活性炭纤维是继粉末活性炭和颗粒活性炭之后的第三代活性炭产品,是一类多孔性纤维状 吸附材料。它具有大的比表面积,多孔的结构和强的表面反应性,其特殊的纤维状物理形态使 其与吸附质有较大的接触面积,因而具有广谱的吸附性能和高的吸附容量[1]。ACF 还有一定量 的表面官能团,对水溶液中的有机物和重金属离子等有较大的吸附容量和较快的吸附速率,并 且容易再生。它可以根据需要加工成纤维束、毡、布、纸以及其它形态,这样便于工程应用和 工艺的简化。近年来在废水处理方面得到广泛应用,有着广大的发展前景,被人们誉为二十一 世纪最先进的环境保护材料之一。 有机污染物会影响人体健康和动、植物的正常生长,干扰或破坏生态平衡。不少有机污染 物是致畸、致突变、致癌物质。有些有机污染物能在环境中发生化学反应,转化成为害处更大 的二次污染物。有些有机污染物在环境和生物体内能积累起来,还能通过食物链富集。像炼油 厂、食品加工厂、塑料厂、化工厂等排放出来的废水中含有大量的有机污染物质,很难用常规 的生化法进行降解,目前利用活性炭纤维对废水中的有机污染物质进行处理一直是研究的热点 问题,具有很好的应用前景。

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活性炭纤维
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2.1 活性炭纤维分类 目前用作活性炭纤维前驱体的有机纤维主要有粘胶基、聚丙烯睛基、沥青基、酚醛基四种, 除此之外,还有采用其他原料制成的,如聚偏二氯乙烯、聚酞亚胺纤维、PBO纤维、聚苯乙烯 纤维、聚乙烯醇纤维、聚氯乙烯基、PVA基等,不同的原料纤维有不同的炭化和活化特性,制 成的活性炭纤维的特点有所不同[2]。 2.2 活性炭纤维制备 活性碳纤维的制备工艺归纳为三个主要阶段[3],如图1所示:

图1

活性炭纤维的制备工艺流程

2.3 表面官能团 活性炭纤维具有很大的吸附性能是由其特殊的表面结构特性和表面化学性质所决定的。活 性炭表面官能团大致可以分为含氧官能团和含氮官能团,此外还有含卤素,硫等元素的官能团, 其中以含氧官能团凭借其种类和数量的优势在ACFs表面所官能团中最具代表性[4]。 2.4 活性碳纤维的吸附特征 ①比表面积大,有效吸附容量高:C.Brasquet等[5]研究了两种ACF和GAC对苯酚、4-氯苯酚、 4-硝基苯酚和2-叔丁基-4-甲基苯酚的吸附,结果表明,ACF对苯基化合物吸附速度大于GAC, 吸附容量与GAC相似或比GAC大些。 ②吸附、脱附行程短,速度快;脱附、再生耗能低:张斌等[6]研究了ACF对水中苯胺的吸 附性能,实验表明:ACF对苯胺吸附速率快,去除效果显著,在40min内可以达到吸附平衡;唐 登勇等[7]在研究ACF对水中对硝基苯酚的实验表明:脱附流速为0.2 L/h、温度363K、脱附剂为 18mL4%氢氧化钠溶液+50mL水的条件下,脱附率>99%。 ③吸附灵敏度高:就是对低浓度吸附质的吸附能力特别优良,在表面吸附中,孔径越小, 其吸附力场越大。由于活性碳纤维中占总体积的90%是微孔,所以,活性碳纤维对低浓度吸附 质,即使对10-6数量级的吸附质仍有很高的吸附量。 ④强度高、寿命长、不产生二次污染:活性碳纤维具有很好的柔韧性和较高的强度,经反 复再生也不易粉化,对吸附有机物和净化后的物质不会造成二次污染。在实际应用中,已有活 性碳纤维连续使用寿命长达8年的工程实例。

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有机化学物质

ACF适用于各种有机废水中有机化学物质的处理,对于化工、冶金、炼焦及染料等产生的 废水,可有效去除颜色、气味、油份、氯化物及苯酚等,也可以除去生物难以降解的物质。 3.1 酚类物质 酚类作为一类典型的有毒有机物,国内外的科研人员进行了少活性炭纤维吸附去除水中酚 类的研究。在酚类化合物中苯酚毒性最大,含酚废水主要来自石油化工厂、树脂厂、塑料厂、 合成纤维厂、炼油厂和焦化厂等化工企业,是水体的重要污染物之一。 3.2 硝基苯类物质 硝基苯属于高毒性物质,被列为优先控制的环境污染物质,它是医药、染料、炸药、杀虫 剂等的重要原料,硝基苯废水的处理一直是工业废水处理的一个难点。 3.3 苯胺类物质

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苯胺是医药、农药、合成染料和树脂等行业的重要原料和中间体,对人类及其他生物具有 非常强的毒性,属环境优先控制物,因此许多国家都制定了严格的限制排放标准。 3.4 芳烃类物质 多环芳烃主要来自于碳氢化合物不充分燃烧,在大气、水体和土壤中广泛地存在,由于多 环芳烃具有疏水性、致癌性、致畸性、致突变性和生物难降解性,因此多环芳烃被看作是持久 性有机污染物的主要代表。目前,多环芳烃的毒理学研究是环境科学领域的热点问题之一。 3.5 卤代烃类物质 卤代烃是一类具有特殊气味的对人体有害的物质,一般通过呼吸、皮肤接触和饮水等3条途 径进入人体。由于其中很多是致癌、致畸和致突变的“三致”污染物,因此,特别引起人们的关 注。在国外已深入到机理和治理技术的研究,在我国这方面的研究才刚刚起步。

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应用实例

4.1 硝基苯类废水 赵谦等[8]研究工作者从研究ACF吸附硝基苯类化合物的选择性吸附性能入手,对ACF进行 改性,研究了ACF吸附性能和再生工艺的关系,发现改性后的ACF对硝基苯类化合物具有较强 的选择性吸附能力,改性处理后的ACF增加了含H、O、N原子的化学功能团,是ACF对硝基苯 化合物吸附选择性增加的化学原因,经改性ACF处理后的废水中硝基苯类化合物浓度可以达到 国家一级排放标准。而且再生工艺简单,可以重复使用,加热再生的ACF可完全恢复原有吸附 性能,再生后的吸附剂的蚀刻程度没有显著变化,说明不会影响吸附剂的性能。 4.2 酚类废水 范俊刚等[9]采用粘胶基活性炭纤维处理对氯苯酚模拟废水,通过静动态吸附研究,测定了 吸附等温平衡线,并研究ACF对PCP的吸附速率。结果表明,ACF对PCP的吸附容量大,吸附速 率快,吸附达饱和后的ACF用NaOH再生解吸速率快,再生后吸性能基本不变,再一次证明了活 性炭纤维对酚类废水处理的有效性,为ACF在酚类废水处理中的实际运用提供了理论依据。 Erol A等[10]在研究ACF对酚类化合物的吸附行为的试验中, 发现ACF表面所带电荷以及酚类 化合物的离子化程度会影响整个实验的最佳条件,进而影响吸附速率以及处理效果等。 4.3 苯胺类废水 王卫平等[11]研究活性炭纤维对水中3,4-二氯苯胺的吸附行为,结果表明,棉花秸秆制备的 活性炭纤维可以有效地吸附3,4-二氯苯胺,电解质(NaCl)的存在对吸附有抑制作用;准二级 动力学模型能够很好地描述3,4-二氯苯胺在活性炭纤维上的吸附行为;吸附等温线符合Langmuir方程,吸附行为是一个自发放热的物理吸附过程。 4.4 制药废水 徐中其等[l2]研究了氯霉素生产所排放硝基废水的吸附处理。ACF对硝基化合物的表观平衡 吸附容量为214mg/g,是GAC的3~4倍。在动态吸附实验中,流速控制在2.5mL/min时,对几百 mg/L的硝基废水一次过柱就可达国家一级排放标准。用高温电加热再生效果显著,经过多次再 生重复使用,吸附能力无明显变化。 4.5 造纸废水 贾金平等[13]运用ACF电极法对造纸黑液进行处理, pH为7左右, 电解后, 色度去除率达94%。 黑液经酸析及聚铝絮凝预处理后进行ACF电极处理,可进一步提高CODcr及色度去除率,若采 用“酸化+电解 (45min)+Fenton试剂(60min)”的综合治理方案,上述去除率分别达94.20%和 99.60%,出水近乎清澈透明。ACF催化电极在pH 6.0~8.0时,以15V~25V电压直接处理各类染 料液及较高浓度的实际混合残液,脱色率达95%~100%,染料液COD去除率为65%~55%。 4.6 染料废水 用ACF电极电解降解染料,脱色效果明显,TOC去除率高。对于不同的染料溶液,Zhemin Shen等[14]用ACF电极电解降解29种染料,几乎所有染料溶液都能有效脱色,具有-SO3、COO-、 SO2NH2·和-OH等亲水基团和含偶氮的染料溶液被分解,而具有-C=O、-NH-芳香基团等憎水基 团的染料易被吸附和絮凝。

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展望

ACF具有独特的性能,可以进行高速处理各种废水中有毒有害的有机物质,并且处理效果 较好。ACF吸附装置能够小型化,是一种很好的吸附剂,但是存在着一定的问题,其中一个重 要因素就是ACF价格较高,在工业化应用中存在一定的限制性。 在今后一段时期内,从ACF的制造原材料出发,改善工艺条件,降低生产成本,改进ACF 的生产工艺和设备,改善ACF的表面结构和性能,完善对水溶液中污染物的吸附处理的工业应 用工艺,研究新的潜在功能,开发其新的应用领域等将是今后研究的发展趋势,此外,也可以 与其他材料复合,充分发挥复合材料的优越性,提高性价比,进一步拓宽其应用领域。

参考文献: 参考文献:
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