專利名稱：空氣活化制備活性炭纖維的方法
技術領域：
本發明屬于活性炭纖維的制備方法，具體涉及一種空氣活化制備活性炭纖維的方法。
活性炭纖維具有獨特的結構和性能特征，在化工、環保、國防軍工、電子以及能源等領域有著廣泛的應用，自本世紀60年代問世以來一直引起人們的關注，70年代左右得以迅速發展。活性炭纖維的制備方法也一直是不同研究人員廣泛關注的重點課題之一。但長期以來，由于活性炭纖維本身成本和價格較高，制約了其在諸多方面的應用。不同的制備方法本身可能導致最終產品活性炭纖維具有不同的孔隙結構以及表面基團，以便提高活性炭纖維的吸附效率及吸附選擇性。傳統的制備方法(Yoshida A.USP4814145 1989)分為炭化與活化兩步，其活化方法一般是在氮氣或氬氣的保護下采用水蒸氣或二氧化碳進行炭化和活化。采用保護氣的制備方法不僅成本高，而且反應發生在800-1000℃的高溫，能耗較大，對于保護氣不易獲得或缺少的場合，會造成生產和應用的不便。
本發明的目的在于開發一種耗能少、成本低、生產周期短的空氣活化制備活性炭纖維的方法。
本發明制備活性炭纖維的方法也是由炭化和活化組成，其特征在于所述的活化采用空氣作為活化劑，活化溫度為400-500℃，空氣流量為10-50ml/min·g(炭纖維)，活化時間20-90min。
本發明所述的方法，可以是間歇的，亦可以是連續的。
間歇法的步驟如下(1)待炭化的纖維原料在炭化爐中，在氮氣的保護下，800-1000℃進行炭化；(2)將炭化后的炭纖維直接放入已加熱至400-500℃的活化爐中，控制空氣流量10-50ml/min·g(炭纖維)，活化20-90min得產品活性炭纖維。
連續法的步驟如下(1)待炭化的纖維原料連續通過炭化爐，爐內充滿氮氣，在800-1000℃下進行炭化；(2)從炭化爐中不斷出來的炭纖維進入活化爐，控制空氣的流速為10-50ml/min·g(炭纖維)，連續活化20-90min，得產品活性炭纖維。
所述的纖維原料為粘膠纖維、聚丙烯腈纖維，亦可以將其做成氈、布、紙等不同形態。
控制活化的反應溫度及活化劑空氣的流速，可得到不同結構與性能的產品。
本發明顯而易見的優點是由于使用空氣作為活化劑而代替以往的水蒸氣和二氧化碳氣體，而且反應在較低的溫度下進行，不僅降低生產成本，而且減少能耗，所獲得的產品同時也具有與以往水蒸氣、二氧化碳活化所得樣品不同的孔隙結構，即使是對于間歇生產設備其整個生產過程也可以接近連續式生產。因為生產過程中無需像高溫活化那樣在保護氣氛下冷卻然后才能將樣品取出，生產周期相對較長，同時只要達到所需的活化時間就可馬上取出樣品并加入原料，并開始下一輪生產，生產周期縮短。
實施例1將約10g炭纖維直接放入已加熱至400℃的活化爐中，通入空氣量為50ml/min·g，反應時間20min，所得活性炭纖維的收率為53.49％，苯吸附量為211.41mg/g。
實施例2反應溫度450℃，空氣流量45ml/min·g，反應時間為30min，產品活性炭纖維的收率為40.36％，BET比表面積為375m2/g，苯吸附量為199.23mg/g，其他同實施例1。
實施例3反應溫度400℃，空氣流量45ml/min·g，反應時間為60min，產品活性炭纖維的收率為33.41％，BET比表面積為450m2/g，苯吸附量為234.34mg/g，其他同實施例1。
實施例4反應溫度400℃，空氣流量50ml/min·g，反應時間為90min，產品活性炭纖維的收率為21.22％，BET比表面積為530m2/g，苯吸附量為287.17mg/g，其他同實施例1。
實施例5將炭纖維連續通過活化爐，控制反應溫度450℃，反應時間60min，空氣流量10ml/min·g，所得產品活性炭纖維的收率41.41％，苯吸附量185.41mg/g。
實施例6
反應時間40min，空氣流量20ml/min·g，收率29.15％，苯吸附量253.23mg/g，其他同實施例5。
實施例7反應時間20min，空氣流量30ml/min·g，收率26.2％，苯吸附量265.34mg/g，其他同實施例5。
實施例8反應時間10min，空氣流量50ml/min·g，收率30.23％，苯吸附量265.54mg/g，其他同實施例5。
盡管由空氣活化的結果樣品的比表面積并不太高，但其樣品對苯的吸附與水蒸氣活化樣品(SBBT=750m2/g)的靜態苯吸附量(苯吸附量為245mg/g)相當。后者更有實用意義。
對比例1采用與實施例4相同的聚丙烯腈原料，在820℃用常規的水蒸氣活化2小時，所得樣品的收率為22％，BET比表面積為860m2/g，將該對比例與實施例4所獲得的樣品的孔徑分布進行了比較，結果如
圖1所示。其中a為實施例4樣品，b為對比例1樣品。由此可以看出兩種樣品雖然具有相當的燒蝕程度，但通過空氣活化所獲得的樣品的比表面積并不很高，其孔徑分布范圍卻很窄，幾乎絕大部分孔隙分布在1nm以下，而用水蒸氣活化的活性炭纖維樣品卻有較復雜的孔徑分布。從圖中也可以明顯看出，對于空氣活化的樣品具有相當集中的孔徑分布，這種類型的孔徑分布可能使其適合用于選擇性吸附。
對比例2采用與實施例4相同的聚丙烯腈原料，在820℃用常規的水蒸氣活化，BET比表面積為750m2/g。由于氧的化學活性比水蒸氣和二氧化碳要強的多，而且在較低的反應溫度下，易與炭表面形成穩定的含氧表面官能團。眾所周知，表面官能團與孔隙結構對吸附過程有同樣重要的影響。表面官能團的存在，將很大程度上影響對極性物質的吸附，特別是易于形成氫鍵的物質如水蒸氣、醇、氨等。如下表所示為不同活化劑活化的活性炭纖維樣品對乙醇吸附的比較結果，可以看出用空氣活化制備的樣品對乙醇有更高的吸附選擇性，由此進一步說明表面官能團的作用。
權利要求
1．一種空氣活化制備炭纖維的方法，由炭化與活化兩步構成，其特征在于所述的活化采用空氣為活化劑，活化溫度為400-500℃，空氣流量為10-50 ml/min·g(炭纖維)，活化時間20-90min。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的活化可以是間歇的，亦可以是連續的。
3．如權利要求1或2的方法，其特征在于所述的炭化原料為粘膠纖維或聚丙烯腈纖維，亦可以是所述纖維的氈、布或紙。
全文摘要
一種空氣活化制備活性炭纖維的方法,由炭化與活化兩步組成,所述的活化采用空氣為活化劑,活化溫度為400—500℃,空氣流量為10—50ml/min·g,活化時間為20—90min。該法可連續或間歇進行,與已有技術相比,本發明的方法能耗小,成本低,生產周期短。
文檔編號D01F9/20GK1305025SQ0013071
公開日2001年7月25日 申請日期2000年10月11日 優先權日2000年10月11日
發明者鄭經堂, 劉振宇, 王茂章, 張碧江 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所