專利名稱：含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維及其制備和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維及其制備方法和該含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維用于吸附富集二氧化碳的用途。
背景技術(shù)：
工業(yè)革命以來，大氣中CO2的濃度一直攀升。由于這種人為的氣體在大氣層的累積，可能導(dǎo)致了全球性的變暖。目前大氣中CO2的濃度約為350ppm。因此，必須開發(fā)有效的技術(shù)以控制溫室氣體的排放。而對(duì)CO2高選擇性和高吸附容量的吸附劑的開發(fā)，無疑是這類技術(shù)的關(guān)鍵。
目前用于二氧化碳吸附分離的方法主要包括基于溶解或中和反應(yīng)的吸收法、高比表面積固體吸附劑的吸附法、低溫蒸餾法、和膜分離法等。后兩種方法主要用于從混合氣體中將CO2分離開來。常用的CO2的吸附材料如沸石、活性炭等在低溫下對(duì)二氧化碳具有較高的吸附容量；但當(dāng)有其它氣體存在時(shí)，它們對(duì)二氧化碳的選擇性則比較差，并且，當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，其對(duì)二氧化碳的吸附容量便急劇下降，200℃時(shí)對(duì)二氧化碳的吸附量幾乎可以忽略不計(jì)。溶劑吸收法對(duì)二氧化碳顯示出高的選擇性吸收。但這類方法由于在液相中進(jìn)行，溶劑的腐蝕性大，因而對(duì)反應(yīng)塔的要求高、再生費(fèi)用大，且容易發(fā)生吸收液的流失，不但增加費(fèi)用，也帶來環(huán)境污染問題。
開發(fā)高吸附容量和高選擇性的固相吸附材料，不但在富集回收二氧化碳以減少溫室效應(yīng)方面，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，而且，可用于載人航天飛機(jī)或潛艇中CO2的消除和再生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維及其制備方法和該含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維用于吸附富集二氧化碳的用途。
本發(fā)明的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維由玻璃纖維和包覆在玻璃纖維外層的活性炭層構(gòu)成，且活性炭層中含有5wt％～50wt％的納米金屬氧化物微粒。納米金屬氧化物微粒為鋅、銀、鈣、鎂、及鋰等的氧化物。
所述的活性炭層由聚丙烯腈或聚乙烯醇混合醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物經(jīng)高溫碳化活化而成。
所述的玻璃纖維為玻璃纖維絲或玻璃纖維布。
所述的玻璃纖維絲的直徑為1μm～50μm。
本發(fā)明的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維的通過如下方法制備將聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸鎂、或醋酸鋅的混合配成溶液。然后將玻璃纖維浸漬于含有由聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物組成的溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后將上述纖維加熱至450～850℃溫度下碳化，并同時(shí)通入水蒸汽活化0.5～6小時(shí)，水蒸汽的流量為0.5～5g/min。得到中孔與微孔的比率約為1∶1，且富含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維。
本發(fā)明的活性炭纖維用于吸附富集二氧化碳。
本發(fā)明的活性炭纖維用于吸附富集二氧化碳時(shí)，只要將其與含二氧化碳的氣體接觸即可。通常是將活性炭纖維與含二氧化碳?xì)怏w在50％以上的濕度下接觸0.1～2小時(shí)。
本發(fā)明的活性炭纖維對(duì)二氧化碳的吸附容量可達(dá)180mg CO2/g炭。
本發(fā)明的活性炭纖維對(duì)二氧化碳的吸附容量的測定，是在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行的。使一定濕度的二氧化碳?xì)怏w通過活性炭纖維，根據(jù)恒定溫度下，活性炭纖維的增重率，評(píng)價(jià)活性炭纖維對(duì)二氧化碳的吸附能力(容量)。
本發(fā)明通過將金屬氧化物微粒嵌入到活性炭層中，從而吸取了活性炭纖維的多孔性和金屬氧化物對(duì)二氧化碳吸附高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，制得含豐富納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維。該含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維是一種對(duì)二氧化碳有高選擇性、高吸附容量的吸附材料，可用于吸附富集二氧化碳，尤其適用于小空間中二氧化碳的吸附和去除。


圖1為活性炭纖維表面鎂氧化物納米顆粒分布圖。
圖2為活性炭纖維表面鋅氧化物納米顆粒分布圖。
圖1中，鎂氧化物為納米尺寸片狀顆粒，片狀顆粒的直徑約為500nm，厚度僅為10nm以內(nèi)。
圖2中，鋅氧化物為納米尺寸的鋅氧化物顆粒。顆粒的粒徑約為100nm左右。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將聚丙烯腈高分子粉料與醋酸鎂按1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中，取出玻璃纖維布，于140℃下干燥30min，得到涂布含鎂有機(jī)物涂層的纖維。將該纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于600℃下碳化，并通入水蒸氣活化3小時(shí)，水蒸汽流量2g/min，得含鎂活性炭纖維。產(chǎn)品得率為55％。產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡分析，其表面碳層鑲嵌密集的片狀鎂氧化物，片狀物粒徑500nm左右，厚度5～8nm左右。該顆粒物經(jīng)X-射線衍射分析，證明為鎂的氧化物。產(chǎn)品中金屬氧化物的含量35％。
實(shí)施例2將聚丙烯腈高分子粉料與醋酸鎂按1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中，取出玻璃纖維布，于140℃下干燥30min，涂布含鎂有機(jī)物涂層纖維。將該纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于800℃下碳化2小時(shí)，同時(shí)通入水蒸氣活化，水蒸汽流量3g/min，得含鎂活性炭纖維。產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡分析，其表面碳層鑲嵌密集的片狀鎂氧化物，片狀物粒徑500nm左右，厚度5～8nm左右。產(chǎn)品中金屬氧化物的含量25％。含鎂活性炭纖維的孔結(jié)構(gòu)分析表明，該活性炭纖維的中孔比表面積占總比表面積的50％左右。
實(shí)施例3將聚乙烯醇高分子粉料與醋酸鎂按1∶3重量比混合，配成10wt％溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中，取出玻璃纖維布，于140℃下干燥30min，涂布含鎂有機(jī)物涂層纖維。將該纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于450℃下碳化5小時(shí)，同時(shí)通入水蒸氣活化，得含鎂活性炭纖維。產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡分析，其表面碳層鑲嵌密集的片狀納米尺寸鎂氧化物?；钚蕴坷w維中碳層的重量約占活性炭纖維總重量的15％左右。金屬氧化物的重量約占活性炭纖維總重量的5％左右。含鎂活性炭纖維的孔結(jié)構(gòu)分析表明，該活性炭纖維的中孔比表面積占總比表面積的50％左右。
實(shí)施例4將聚丙烯腈高分子粉料與醋酸鎂、醋酸鋅按1∶1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中，取出玻璃纖維布，于140℃下干燥30min，涂布含鎂有機(jī)物涂層纖維。將該纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于500℃下碳化1小時(shí)，得含鎂和鋅的活性炭纖維。產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡分析，其表面碳層鑲嵌密集的片狀鎂氧化物和柱狀的鋅氧化物，顆粒物的尺寸都在幾百納米左右。
實(shí)施例5將聚丙烯腈高分子粉料與醋酸銀1∶1重量比混合，配成5wt％稀硝酸溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中，取出玻璃纖維布，于140℃下干燥30min，涂布含鎂有機(jī)物涂層纖維。將該纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于750℃下碳化1小時(shí)，得含銀的活性炭纖維。產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡分析，其表面碳層鑲嵌密集的銀顆粒，顆粒物的尺寸都在幾十至幾百納米左右。
實(shí)施例6將含鎂活性炭纖維在室溫、相對(duì)濕度75％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在該條件下通入二氧化碳，使活性炭纖維吸附二氧化碳至平衡，測得該含鎂活性炭纖維的CO2吸附量為100mg CO2/g炭。
實(shí)施例7
將含鎂活性炭纖維及含鎂和鋅的活性炭纖維分別在室溫、相對(duì)濕度70％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在該條件下通入二氧化碳，使活性炭纖維吸附二氧化碳至平衡，測得該含鎂活性炭纖維的CO2吸附量為95mg CO2/g炭，而含鎂和鋅的活性炭纖維的CO2吸附量為180mg CO2/g炭。
實(shí)施例8將純的活性炭纖維及含納米鋅顆粒的活性炭纖維分別在室溫、相對(duì)濕度68％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在該條件下通入二氧化碳，使活性炭纖維吸附二氧化碳至平衡，測得該純的活性炭纖維的CO2吸附量為10mg CO2/g炭，而含納米鋅顆粒的活性炭纖維的CO2吸附量為80mg CO2/g炭。
權(quán)利要求
1.一種含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維，其特征是該活性炭纖維由玻璃纖維和包覆在玻璃纖維外層的活性炭層構(gòu)成，且活性炭層中含有5wt％～50wt％的納米金屬氧化物微粒。
2.一種如權(quán)利要求1所述的活性炭纖維，其特征是所述的炭層由聚丙烯腈或聚乙烯醇混合醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物經(jīng)高溫碳化活化而成。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維，其特征是所述的玻璃纖維為玻璃纖維絲或玻璃纖維布。
4.一種如權(quán)利要求3所述的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維，其特征是所述的玻璃纖維絲的直徑為1μm～50μm。
5.如權(quán)利要求1所述的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維的制備方法，其特征是將聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸鎂、或醋酸鋅的混合配成溶液。然后將玻璃纖維浸漬于含有由聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物組成的溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后將上述纖維加熱至450～850℃溫度下碳化，并同時(shí)通入水蒸汽活化0.5～6小時(shí)，水蒸汽的流量為0.5～5g/min，得到中孔與微孔的比率約為1∶1，且富含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維。
6.如權(quán)利要求1所述的含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維的應(yīng)用，其特征是用于吸附富集二氧化碳。
7.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征是將所述的吸附纖維與含二氧化碳的氣體接觸0.1～2.0小時(shí)。
8.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征是將所述的吸附纖維與含二氧化碳的氣體在50％以上的濕度下接觸0.1～2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維及其制備方法和用途。該活性炭纖維由玻璃纖維和包覆玻璃纖維的外層的炭層構(gòu)成，炭層中含有納米金屬氧化物微粒；炭層由聚丙烯腈或聚乙烯醇混合醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物經(jīng)高溫碳化活化而成。將玻璃纖維浸漬于含有由聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸鎂、或醋酸鋅的混合物組成的溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后經(jīng)450～850℃高溫碳化及水蒸汽活化30～120分鐘，得到含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維。該含納米金屬氧化物微粒的活性炭纖維用于吸附富集二氧化碳，其對(duì)二氧化碳的吸附容量可達(dá)18wt％。本發(fā)明對(duì)于二氧化碳的富集，控制溫室效應(yīng)；特別是用于小空間中二氧化碳的凈化，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
文檔編號(hào)C03C25/44GK1644547SQ200410077539
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者陳水挾, 岳中仁 申請(qǐng)人:中山大學(xué)