專利名稱：復合活性炭纖維及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種復合活性炭纖維及其制備方法。
背景技術：
活性炭是第一代的多孔炭吸附材料，可分為粉狀活性炭和粒狀活性炭兩類。活性炭由于其低廉的價格和較高的吸附容量而在環境凈化中發揮重要的作用。但其低的孔隙利用率，慢的吸附-脫附速率、對低濃度有機物處理不徹底，使其往往未能達到快速、徹底(處理后出口濃度達到ppb級別)除去低濃度有機污染物的要求。
活性炭纖維是第二代的新型炭質吸附材料，是一種多孔性纖維狀吸附材料，結構上與活性炭有很大的差別。它具有發達的微孔結構、更高的比表面和外表面積，因而具有更高的吸附容量和更快的吸附速度。對有機蒸汽的吸附量比粒狀活性炭大幾倍甚至幾十倍；對氣體的吸附數十秒至數分鐘可達平衡。活性炭纖維對水中即使很低濃度的有機物也有很強的吸附能力，是污水深度處理的理想吸附材料。某些工業污水經過活性炭纖維的吸附處理，可實現水的回用。活性炭纖維也逐漸被用于飲用水的深度處理，有效地除去致味、致色物質及有毒有害物質。
但是，活性炭纖維較高的價格，妨礙了其在環境治理中的廣泛應用。
目前，提高活性炭纖維的生產得率，控制活性炭纖維的結構，從而大幅度降低其生產成本，獲得良好的性價比，是這類材料產業化的瓶頸。
本發明采取新的材料設計方案及化學活化技術，可以大大提高生產得率，提高活性炭纖維的強度及使用性能，從而大幅度地降低該新型復合活性炭纖維的生產成本。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新型的復合活性炭纖維及其制備方法。
本發明的復合活性炭纖維是該由玻璃纖維和包覆于玻璃纖維外層的多孔炭層構成，該多孔炭層占復合活性炭纖維總重量的10～50％，多孔炭層中有豐富的微孔。
所述的復合活性炭纖維的多孔炭層可由聚丙烯腈、聚乙烯醇或酚醛等高聚物經高溫炭化活化而成。
所述的復合活性炭纖維中的玻璃纖維可為玻璃纖維絲或玻璃纖維布。所述的玻璃纖維絲的直徑一般為1μm～50μm。
本發明復合活性炭纖維的比表面積一般為500m2/g C至1800m2/g C；孔體積一般為0.5mL/g C～1.7mL/g C。微孔的孔徑主要集中在0.6～1.2nm左右；部分中孔孔徑可達40nm。
本發明的復合活性炭纖維可通過以下方法制備將聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇等高聚物與與8～15wt％的氯化鋅溶液或15mol/L磷酸配成混合溶液；高聚物與氯化鋅的重量比為1∶1～1∶7，或高聚物與15mol/L磷酸的重量比為1∶1；然后將玻璃纖維浸漬于該混合溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后將上述纖維加熱至500～900℃溫度下碳化活化0.5～6小時，得到有大量微孔的復合活性炭纖維。
按照上述的制備方法，必要時還可在碳化活化時通入水蒸汽活化，水蒸汽的流量通常為0.5～5g/min。
本發明采用樹脂涂布玻璃纖維基質為原材料，并采用化學活化的方法，制備具有“皮芯復合結構”的新一代“復合活性炭纖維”。本發明可以大大提高生產得率，從而大幅度地降低該新型復合活性炭纖維的生產成本。
圖1為本發明復合活性炭纖維樣品的掃描電鏡圖。顯示活性多孔炭層基本均勻地包覆于玻璃纖維的外表面。
圖2為復合活性炭纖維的微孔分布圖。顯示該復合活性炭纖維的微孔主要集中在0.6～1.0nm之間。
具體實施例方式
實施例1將聚乙烯醇高分子粉料與氯化鋅按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇10wt％的溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中2小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，于140℃下干燥30min，得到含高聚物涂層的玻璃纖維。將該纖維在氮氣保護下，于500℃下碳化活化6小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為900m2/gC。
實施例2將聚乙烯醇高分子粉料與氯化鋅按1.5∶10重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％的溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中3小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，于140℃下干燥30min，得到含高聚物涂層的玻璃纖維。將該纖維在氮氣保護下，于700℃下碳化活化2小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為1840m2/g C。其中中孔的表面積約占總比表面積的30％。
實施例3將聚乙烯醇高分子粉料與氯化鋅按1.5∶8重量比混合，配成含聚乙烯醇15wt％的溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中2小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，于140℃下干燥30min，得到含聚乙烯醇涂層的纖維。將該纖維在氮氣保護下，于600℃下碳化活化2小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為1800m2/g C。微孔的孔徑主要分布在1.0nm左右。
實施例4將聚乙烯醇高分子粉料與氯化鋅按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％的溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中0.5小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，于140℃下干燥30min，得到含聚乙烯醇涂層的纖維。將該纖維在氮氣保護下，于900℃下碳化活化0.5小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為1030m2/g C。微孔的孔徑主要分布在0.8nm左右。
實施例5將聚乙烯醇高分子粉料與氯化鋅按1∶4重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中1小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，得到含聚乙烯醇涂層的纖維。將該纖維在氮氣保護下，于900℃下碳化活化1小時，隨后通入水蒸汽活化1小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為1200m2/g C。微孔孔徑主要分布在1.3nm附近。
實施例6將聚乙烯醇高分子粉料與15mol/L的磷酸按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇15wt％溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中0.5小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，得到含聚乙烯醇涂層的纖維。將該纖維在氮氣保護下，于450℃下碳化活化2小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為510m2/g C。
實施例7將聚丙烯腈與氯化鋅按1∶2重量比混合，配成含聚丙烯腈8wt％的溶液，然后將玻璃纖維布浸泡于該溶液中2小時，取出浸泡了高聚物的玻璃纖維，于140℃下干燥30min，得到含聚丙烯腈涂層的纖維。將該纖維在氮氣保護下，于800℃下碳化活化2小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為1030m2/g C。微孔的孔徑主要分布在0.8nm左右。
實施例8將酚醛樹脂與磷酸按1∶2重量比混合，配成酚醛含量8wt％的溶液，然后將該樹脂混合物涂布于玻璃纖維上。將該纖維在氮氣保護下，于900℃下碳化活化2小時，得復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維經低溫氮吸附實驗進行的孔結構分析表明，該復合活性炭纖維多孔炭層的比表面積為600m2/g C。微孔的孔徑主要分布在0.8nm左右。
權利要求
1.一種復合活性炭纖維，其特征是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成，該多孔炭層占復合活性炭纖維總重量的10～50％，多孔炭層中有豐富的微孔。
2.一種如權利要求1所述的復合活性炭纖維，其特征是該復合活性炭纖維的比表面積為500m2/gC至1800m2/gC；孔體積為0.5mL/g C～1.5mL/gC。
3.一種如權利要求1所述的復合活性炭纖維，其特征是所述的多孔炭層由聚丙烯腈、聚乙烯醇或酚醛經高溫碳化活化而成。
4.一種如權利要求1，2或3所述的復合活性炭纖維，其特征是所述的玻璃纖維為玻璃纖維絲或玻璃纖維布。
5.一種如權利要求4所述的復合活性炭纖維，其特征是所述的玻璃纖維絲的直徑為1μm～50μm。
6.權利要求1～5之一所述的復合活性炭纖維的制備方法，其特征是將高聚物聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇與8～15wt％的氯化鋅溶液或15mol/L的磷酸溶液配成混合溶液；高聚物與氯化鋅的重量比為1∶1～1∶7，或高聚物與15mol/L磷酸溶液的重量比為1∶1；然后將玻璃纖維浸漬于該混合溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后將上述纖維加熱至450～900℃溫度下碳化活化0.5～6小時，得到有大量微孔的復合活性炭纖維。
7.一種如權利要求6所述的復合活性炭纖維的制備方法，其特征是在碳化活化時通入水蒸汽活化，水蒸汽的流量為0.5～5g/min。
全文摘要
本發明涉及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高溫碳化活化而成。將玻璃纖維浸漬于由聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇與氯化鋅或磷酸組成的混合物的溶液中，使玻璃纖維包覆一層聚合物層，然后經450～900℃高溫碳化活化，必要時再通入水蒸汽活化30～360分鐘，得到復合活性炭纖維。該復合活性炭纖維的多孔炭層具有豐富的微孔和中孔，具有較高的比表面積。本發明對于提高活性炭纖維的強度、提高該材料的得率、降低該材料的生產成本及促進該材料的廣泛應用，都具有重要的經濟價值和社會意義。
文檔編號B01J20/20GK1792936SQ20051010194
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月9日 優先權日2005年12月9日
發明者陳水挾, 李惠君 申請人:中山大學