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活性碳纤维的结构

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活性碳纤维的结构

发布日期:2019-06-21 作者:管理者 点击:

活性碳纤维的纤维直径为5~20μm,比表面积平均在1000~1500m2/g左右,平均孔径在1.0~4.0nm,微孔均匀分布于纤维表面。与活性炭相比,活性碳纤维微孔孔径小而均匀,结构简单,对于吸附小分子物质吸附速率快,吸附速度高,容易解吸附。与被吸附物的接触面积大,且可以均匀接触与吸附,使吸附材料得以充分利用。效率高,且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态,孔隙直接开口在纤维表面,其吸附质到达吸附位的扩散路径短,且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。对于有些大分子或颗粒物质,如二恶英、粉尘等,体积已经接近乃至大于活性碳纤维微孔体积,难以被吸附,相比较活性炭更占有优势。

活性炭与活性碳纤维孔结构比较

活性碳纤维孔径分布

拦截功能对比表:

粉末活性炭(Pac)<颗粒活性炭(GAC)<活性炭棒(CTO)< PP<碳纤维(ACF)

活性炭纤维拦截能力对比

 

微孔形结构

微孔半径在2nm以下,其孔径分布窄,特殊的细孔呈单分散分布,由不同尺寸的微细孔隙组成其结构,并且中孔、小孔扩散呈现出多分散型分布,在各细孔结构中的差别较大,其主要原因在于原料的不同。在活性炭纤维中无大孔,只有少量的过渡孔,微孔分布在纤维表面,其吸附速率快,活性炭纤维丝束的空间起大孔作用,对气相与液相物质具有较好的吸附作用,其外比表面积大,吸脱速度快,为粒径活性炭10~100倍。随着比表面积增大,细孔的平均孔径随之增大,细孔容积增加,在细孔内发生吸附后充填细孔内。其比表面积增大吸附容量大,为粒状活性炭的10倍,可吸附处理低浓度废气或具有高活性的物质。活性炭纤维的体积密度小,滤阻小、可吸附粘度较大的液态物质,且动力损耗小。

表面化学结构

活性碳纤维固体表面原子呈不饱和结构,具有独特的表面化学性能,微晶在燃烧温度低时易与氧化介质发生反应生成氧化产物,主要有羧基、酚基、醌基等含氧基团,及含硫基、氮元素、卤素等官能团。其表面酸性与吸附平衡有密切的关系。

按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的分类标准,吸附剂的细孔分为三类:孔径大于50nm的为大孔,2nm~50nm的为中孔,0.8nm~2nm的为微孔以及小于0.8nm的为亚微孔。活性炭纤维的孔主要是乱层结构炭和石墨微晶形成的微孔。微孔的大量存在使活性炭纤维的表面积增大,同时也使其吸附量提高。吸附剂中的大孔是作为被吸附分子到达吸附位的通道,它控制着吸附速度;活性炭纤维其纤维直径一般在10nm~13nm、外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与吸附质接触、扩散阻力小,所以其吸脱附速度快,有利于吸附分离。而且,可以根据需要制成毡、布、纸等各种形态,适应于多种用途。

活性炭纤维是由CF活化而成。CF为多晶乱层石墨结构,转化成活性炭纤维后,结构基元不变化。活性炭纤维是非均匀性的多相结构。由于高温水蒸气将部分原子脱去后形成微孔结构使之生成羧基、羰基等含氧活性基团,使其表面的酸性增加。比表面积约为1200m2/g,远大于CF,在苛刻条件下活化时可达3000m2/g。

活性炭纤维为分布狭窄单一孔径的微孔结构,其孔可以产生毛细管的凝聚作用。由于具有微孔,其吸附、脱附速率远大于两个数量级,吸附量大。在填充床中流体的床层阻力小,可作为催化剂与催化剂载体使用在活性炭纤维分子内的痕量杂原子为磷、氮、氯等。在活化时,部分杂原子被脱去后,表面的杂质大大减少。由于活化中氧化气体的作用,表面含氧基团增强,主要有酸性基团,如羧基等。中性基完备如羰基、内酯基等。碱性基团有过氧化基等。

活性炭纤维会因活化的方法不同,而生成不同表面含氧基与表面酸碱性不同的产物。在水的作用下,其氧化还原能力更强。由于水的存在可以使一些基团氧化成羟基。由此在表面含氧基团数目增加后,表面氧化还原容量增大。

 

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相关标签:活性碳纤维,活性碳纤维结构,活性碳纤维吸附

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