摘 要：介绍了一种新型催化材料——活性炭纤维及其在催化领域中的应用。通过与以颗粒活性炭为代表的传统碳材料在结构、性能方面的对比，概述了活性炭纤维优良的吸附和催化等特性。全面介绍了活性炭纤维在脱除SO2、HCl、NOx以及作为催化剂载体方面的应用。
活性炭纤维(Activated Carbon Fiber-ACF)，亦称纤维状活性炭，作为一种理想的高效吸附材料，是在碳纤维技术和活性炭技术相结合的基础上发展起来的，是继粉状和粒状活性炭(Granular Activated Carbon-GAC)之后的第三代活性炭产品[1-4]，并以其特殊的表面化学结构和物理吸附特性在环保、电子、医用卫生和化工等领域中广泛应用于脱色、除臭、精制、分离、溶剂回收和废水、废气处理等。由于ACF表面具有各种酸碱性质不同的含氧基团，它们与金属活性组分的相互作用能力不同，从而对许多反应具有催化作用。此外，还可以通过燃烧从ACF废催化剂中回收负载的贵金属。因此，无论是作为催化剂还是载体，都显示出广阔的应用前景。本文就活性炭纤维的制备方法、结构性能特点及在催化中的应用进行评述。
1、活性炭纤维制备及性能
1.1 制备与分类
ACF经CF活化制得，而纤维状炭主要通过四种方法获得[6]：(1)烃或CO高温热解，在石墨或陶瓷板上形成结晶质的胡须状炭；(2)高温高压下石墨电极间通电，产生石墨晶须；(3)高级炭黑在非氧化气氛中，高温处理形成石墨化单晶；(4)在保持高分子纤维形状的前提下，将其炭化。绝大多数ACF都是由这种方法获得的CF活化而成。作为ACF前驱体的高分子纤维主要有粘胶基、聚丙烯腈(PAN)基、酚醛基、沥青基、聚乙烯醇(PVA)基、苯乙烯-烯烃共聚基和木质素纤维等，其中前四种均已实现工业化[1-5]。不同原料生产的ACF的主要优缺点如表1所示[1-2]。
表1 不同原料生产ACF的主要优缺点
Table 1 Advantages and disadvantages of ACF derived from different materials
种类 主要优缺点
粘胶基 原料低廉，但收率低，强度低，生产工艺较复杂
PAN基 结构中含氮，对硫氮系化合物有催化作用，具有高吸附性能强度高，工艺简单、成熟
酚醛基 原料价廉，收率较高，工艺简单，不需要进行预处理
沥青基 原料价廉，收率高，杂质多，不易制得连续长丝，深加工困难，强度低
1.2 ACF的组成、结构与性能
ACF主要由C、H、O三种元素组成。不同原料生产的ACF化学组成如表2所示[2-3，7]。
表2 不同原料ACF的化学组成
|
ACF种类 |
w(C)/% |
w(H)/% |
w(N)/% |
w(O)/% |
|
粘胶基 |
92.5~94.5 |
0.6~0.8 |
|
2.9~3.5 |
|
PAN基 |
88.0~91.0 |
0.7~0.9 |
2.5~5.5 |
2.5~8.8 |
|
酚醛基 |
-93.1 |
-5.0 |
-0.9 |
-1.0 |
|
沥青基 |
91.0~95.0 |
0.6~0.8 |
2.0~3.0 |
|
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