專利名稱：一種活性炭纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活性炭纖維及其制備方法，具體涉及一種活性炭纖維及以紙巾為 碳源、CO2活化制備活性炭纖維的方法。
背景技術(shù)：
活性炭作為一種多功能吸附劑，具有很好的吸附性能，可以利用多種天然材料制 得。例如，木材，稻米殼，纖維素，木質(zhì)素，椰子殼?；钚蕴孔鳛槲絼┣宄I(yè)廢氣、廢水中 有害化合物以及在催化方面作為載體催化劑的報道很多?；钚蕴恐苽涔に囈话惆ㄎ锢砘?化和化學活化兩種工藝?；瘜W活化主要使用各種化學活化劑，例如，aiCl2，H2SO4, H3PO4, HCl，Κ0Η。物理活化法是將原料先碳化，再在高溫下利用氧化性氣體，使石墨微晶中的碳原 子部分氧化形成發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，增加內(nèi)表面積。作為一種吸附材料，活性炭具有廣泛的應(yīng)用前景。活性炭纖維(ACF)是炭纖維技 術(shù)和活性炭技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是繼粉狀和粒狀活性炭之后第三代活性炭產(chǎn) 品。ACF直徑細，具有較活性炭優(yōu)異的吸附性能，吸附能力強，吸附容量大，目前已在環(huán)境保 護、催化、醫(yī)藥、軍工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今活性炭纖維的制備已有很多報道，一般前驅(qū) 體原料的不同，ACF的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也明顯不同。現(xiàn)今，用作ACF前驅(qū)體的有機纖 維主要有纖維素基，PAN基，酚醛基，浙青基，聚乙烯醇基，苯乙烯/烯烴共聚物和木質(zhì)素纖 維等，商業(yè)化的主要是前4種。紙巾是一種廉價、成熟的工業(yè)產(chǎn)品，具有穩(wěn)定的化學組成(主 要含C、H兩種元素)，孔隙度和密度，紙巾由木質(zhì)纖維素(cellulose fiber)組成，以上優(yōu)點 為制備活性炭纖維提供了可行性，且可大大降低生產(chǎn)成本。但目前并未有以紙巾為有機前 軀體制備活性炭纖維的報道。ACF的生產(chǎn)一般是將有機前驅(qū)體纖維在低溫200 °C 400 °C下進行穩(wěn)定化處理， 隨后進行(碳化)活化。常用的活化方法主要有用C02或水蒸汽的物理活化法以及用 ZnCI2,H3P04,H2P04,K0H的化學活化法，處理溫度在700 °C 1 000 °C間，不同的處理工 藝(時間，溫度，活化劑量等)對應(yīng)產(chǎn)品具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)和性能。專利200810151333. 9 公開了一種活性炭纖維及其制備方法，本方法以成纖聚合物和銀、銅、鋅等功能性添加成分 為原料，然后再經(jīng)預氧化、碳化、水蒸氣氮氣活化制得活性炭纖維，或者經(jīng)氫氧化鈉處理、碳 化、水蒸氣活化制得活性炭纖維。專利200510030545. 8公開了一種具有中空形態(tài)結(jié)構(gòu)的活 性炭纖維和制備方法，該方法以醫(yī)用聚丙烯腈中空纖維為原料，在含磷化物溶液中浸泡預 處理，然后經(jīng)預氧化、碳化、活化而成。專利200510101946. 8公開了一種復合活性炭纖維及 其制備方法，該復合活性炭纖維由玻璃纖維和包覆于玻璃纖維外層的多孔炭層構(gòu)成，多孔 炭層中有豐富的微孔及部分中孔；多孔炭層由聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇與氯化鋅或磷酸 的混合物經(jīng)高溫碳化活化而成。上述方法所得的活性炭纖維價格較貴、制備工藝復雜，在大 規(guī)模推廣應(yīng)用上存在弊端。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明提供了一種活性炭纖維，它物理化學性能優(yōu)良，比表面 積高，吸附性能優(yōu)異。本發(fā)明還提供了本活性炭纖維的制備方法，本方法以紙巾為碳源，通過CO2物理活 化方法制備出活性碳纖維，生產(chǎn)成本較低，工藝簡單，所得活性炭纖維物理化學性能優(yōu)良， 給活性炭纖維的制備帶來更新的理念。本發(fā)明是通過以下措施實現(xiàn)的
一種活性炭纖維，其特征是=BET比表面積為1300-1500 m2/g，孔徑分布為2. 5-3. 5 nm, 孔體積為0. 8-1. 3 cm7g，微孔比表面積為300-420 m2/g。上述活性炭纖維的制備方法，其特征是以紙巾為碳源，經(jīng)碳化、CO2物理活化、冷 卻得權(quán)利要求1所述的活性炭纖維。上述制備方法中，具體包括以下步驟
(1)將紙巾剪碎，在氮氣保護下加熱至850-90(TC，進行碳化處理；
(2)碳化后，用二氧化碳代替氮氣，在850-90(TC下進行活化處理；
(3)活化后停止通二氧化碳，在氮氣保護下以50C /min的速率降溫至300°C，最后以 自然冷爐的方式降至室溫，得活性炭纖維。上述步驟(1)中，以5 0C /min的升溫速率加熱至850-900°C，然后在此溫度下保 溫 30-60min。上述步驟(2)中，通入的二氧化碳的量為10-30mL/min，活化時間為1_池。本發(fā)明關(guān)鍵是通過活化得到滿足要求的活性炭纖維，下面通過附圖對本發(fā)明制得 的活性炭纖維的形態(tài)進行說明。圖1為原始紙巾及活性炭纖維的XRD衍射圖譜，其中，(a) 曲線為碳化后未活化的炭，(b)曲線為900°CC02活化2 h的活性炭，(c)曲線為900°Ca)2 活化池的活性炭(為了更清楚的看到這三條曲線的形狀，這三條曲線沿縱坐標進行了平 移，其衍射強度存在偏差)。由XRD圖譜可見，使用CO2活化紙巾所制得的活性炭衍射峰都比 較寬化，沒有明顯的衍射峰，說明碳化和活化后所制得的活性炭主要是無定形態(tài)的。圖2為活性炭纖維的Raman光譜圖，圖中，曲線a、b都有兩處明顯的強吸收峰，一 處在1600 cnT1和1350 cnT1處，這兩處峰分別是活性炭石墨化和無序結(jié)構(gòu)吸收峰。石墨化 表明碳原子以Sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成共價單鍵，碳層的無序結(jié)構(gòu)可能是由 于非平面微觀結(jié)構(gòu)扭曲或晶緣組織紊亂造成的。所以紙巾用(X)2 900 °C活化2 h、3 h制得 的活性炭都是無定形態(tài)的，是非晶態(tài)石墨碳，這和XRD圖譜分析完全一致。圖3為原始紙巾及所制備的活性炭SEM圖。在掃描電子顯微鏡下觀察，紙巾具有 纖維結(jié)構(gòu)，纖維直徑約為20 μ m，如圖(a)所示，這種結(jié)構(gòu)為活性炭纖維的制備提供了可行 性。由能譜分析，表明紙巾主要含有C、0兩種元素，易于非碳元素的脫除，降低活性炭灰分。 由圖(b)可以看到CO2活化所制備的活性炭呈纖維狀，保留了紙巾纖維結(jié)構(gòu)，高倍下觀測單 根纖維上面有密集的介孔分布，屬于中孔材料?；钚蕴坷w維孔體積、孔徑等性能參數(shù)證實了 以上觀點。通過(X)2活化紙巾，制得活性炭微觀結(jié)構(gòu)都呈多中孔纖維結(jié)構(gòu)，成功制備出中孔 活性炭纖維。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明以紙巾為創(chuàng)新性原材料，通過碳化、活化等工藝，制備出活性炭纖維材料。這種材料物理化學性能優(yōu)良，比表面積已完全達到商業(yè)高比表面積活性炭材料范圍，吸附性能 優(yōu)異，活性炭纖維的這種優(yōu)異的性能，促進了其在吸附有毒氣體、凈化污水、飲用水吸附等 領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明方法工藝簡單、效率高、成本低和易操作，該方法的提出將豐富活性炭 纖維合成材料的花樣和種類，給活性炭纖維的制備帶來更新的理念。


圖1為原始紙巾及活性炭纖維的XRD衍射圖譜，橫坐標為衍射角(2 θ )，縱坐標為 衍射強度，其中，(a)曲線為未活化的炭，(b)曲線為900°CC02活化2 h的活性炭，(c)曲 線為900°C CO2活化池的活性炭。圖2為活性炭纖維的Raman光譜圖，橫坐標為光譜波長(αιΓ1)，縱坐標為振動吸收強 度，其中，(a)曲線為900°C CO2活化2 h的活性炭，(b)曲線為900°C CO2活化3 h的活性炭。圖3為原始紙巾及活性炭纖維的SEM圖，其中，圖(a)為原始紙巾，圖(b) CO2活 化制得的活性碳纖維。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是 為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進行限定。本發(fā)明選用商品紙巾(山東恒安心相印紙制品有限公司)為碳源(前軀體)，紙的 厚度約為0. 1 mm，密度約為16. 1224 g/m2。物理活化試劑選用CO2，純度>99. 0%。實施例1
將紙裁剪成2 cmX2 cm大小的正方形，放入真空管式爐內(nèi)隊保護下，以5 V /min的 升溫速率加熱至900°C，保溫30min，碳化處理。切斷N2流，通入CO2氣流(20mL/min)，在 900°C分別活化2 h、3h。切斷CO2流，通入N2氣流，以5 V /min的速率降溫至300°C，關(guān)閉 控溫程序，以自然冷爐的方式降至室溫。最終制得生物質(zhì)活性炭纖維材料，所得活性炭纖維 材料的相關(guān)性能參數(shù)見下表1。
表L德性炭If維ft能參數(shù)
+tt炭類型BET比表蕭積(ιιι2/§)Sumo(m2/g) 體積《αη%)-孔徑_η》€(wěn)02 S 化 1111517412.91,194J.147COl活化Λ1474304.11,1973 J18表1為活性炭纖維比表面積、孔體積、孔徑等性能參數(shù)。CO2 900°C活化2 h、3 h制 備出活性炭比表面積分別為1517 m2/g和1474 m2/g，已達到商業(yè)高比表面積活性炭水平。 進一步研究活性炭材料孔特點，(X)2活化制備的活性炭孔徑大小約為3. 5 nm，根據(jù)IUPAC孔 大小分類中孔半徑為2-50 nm，說明(X)2活化制備的活性炭材料是中孔材料。實施例2
將紙裁剪成2 cmX2 cm大小的正方形，放入真空管式爐內(nèi)隊保護下，以5 V /min的 升溫速率加熱至850°C，保溫60min，碳化處理。切斷N2流，通入CO2氣流(lOmL/min)，在 850°C分別活化2h。切斷(X)2流，通入N2氣流，以5 V /min的速率降溫至300°C，關(guān)閉控溫程序，以自然冷爐的方式降至室溫。最終制得生物質(zhì)活性炭纖維材料，其BET比表面積為 1304m2/g，孔徑分布為2. 973nm，孔體積為1. 047cm3/g，SMicro (微孔比表面積)為358. lm2/go實施例3
按照實施例2的方法對紙巾進行碳化、CO2物理活化，不同的是，CO2處理時，在850°C 分別活化池。最終制得生物質(zhì)活性炭纖維材料，其BET比表面積為1357m2/g，孔徑分布為 2. 471nm，孔體積為 1. 098cm3/g，SMicro (微孔比表面積)為 388. lm2/go實施例4
將紙裁剪成2 cmX2 cm大小的正方形，放入真空管式爐內(nèi)隊保護下，以5 V /min的 升溫速率加熱至900°C，保溫40min，碳化處理。切斷N2流，通入(X)2氣流O0-30mL/min)， 在900°C分別活化lh。切斷(X)2流，通入N2氣流，以5 V /min的速率降溫至300°C，關(guān)閉控 溫程序，以自然冷爐的方式降至室溫。最終制得生物質(zhì)活性炭纖維材料，其BET比表面積為 1305m2/g，孔徑分布為 2. 874 nm，孔體積為 0. 851cm3/g，SMicro 為 314. 8 m2/g。由上述實施例可以看出，活化溫度、活化時間對活性炭纖維孔特性的影響很大。
權(quán)利要求
1.一種活性炭纖維，其特征是=BET比表面積為1300-1500 m2/g，孔徑分布為2. 5-3. 5 nm，孔體積為0. 8-1. 3 cm7g，微孔比表面積為300-420 m2/g。
2.—種權(quán)利要求1所述的活性炭纖維的制備方法，其特征是以紙巾為碳源，經(jīng)碳化、 CO2物理活化、冷卻得活性炭纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)將紙巾剪碎，在氮氣保護下加熱至850-90(TC，進行碳化處理；(2)碳化后，用二氧化碳代替氮氣，在850-90(TC下進行活化處理；(3)活化后停止通二氧化碳，在氮氣保護下以50C /min的速率降溫至300°C，最后以自 然冷爐的方式降至室溫，得活性炭纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是步驟(1)中，以5V /min的升溫速率 加熱至850-900°C，然后在此溫度下保溫30-60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是步驟(2)中，通入的二氧化碳的量為 10-30mL/min，活化時間為IH
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活性炭纖維，其BET比表面積為1300-1500m2/g，孔徑分布為2.5-3.5nm，孔體積為0.8-1.3cm3/g，微孔比表面積為300-420m2/g。本發(fā)明還公開了其制備方法，以紙巾為碳源，經(jīng)碳化、CO2物理活化、冷卻得活性炭纖維。本發(fā)明以紙巾為創(chuàng)新性原材料，通過碳化、活化等工藝，制備出活性炭纖維材料。該材料具有很高的比表面積和優(yōu)異的吸附性能，促進其在吸附有毒氣體、凈化污水、飲用水吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明方法工藝簡單、效率高、成本低和易操作，本方法的提出將豐富活性炭纖維合成材料的花樣和種類，給活性炭纖維的制備帶來更新的理念。
文檔編號B01J20/30GK102140708SQ201110029578
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者劉世權(quán), 師瑞霞, 張宗見, 李嘉 申請人:濟南大學