凈水“芯”主張：活性炭纖維ACF
2014-01-24 10:22:25
活性炭纖維簡(jiǎn)介
活性炭纖維（ActivatedCarbonFiber，簡(jiǎn)稱ACF），是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型吸附功能材料，它以木質(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料，經(jīng)炭化和活化制得。與粒狀粉狀活性炭相比較，ACF具有特有的微孔結(jié)構(gòu)!更高的外表面積和比表面積以及多種官能團(tuán)!平均細(xì)孔直徑也更小!通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附以及物理化學(xué)吸附等方式在廢水、廢氣處理、溶劑回收、水凈化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
ACF（炭纖維）優(yōu)異的凈水功能來(lái)源于其微孔直接開(kāi)口于纖維表面，當(dāng)水流經(jīng)ACF濾芯時(shí)水中污染物會(huì)被微孔均勻、快速地吸附；直徑纖細(xì)的纖維狀的形態(tài)，使ACF凈水器對(duì)水濾阻降至極小，在保證壓力損失最小的情況下，讓水與材料充分接觸得以最大利用；實(shí)驗(yàn)表明，ACF對(duì)水中污染物的去除能力是粒狀活性炭的10～100倍，同時(shí)增加了ACF濾芯的使用壽命，減少更換成本。
活性炭纖維主要性能
活性炭纖維是一種表面納米粒子，具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)與納米空間混合的體系。其纖維直徑細(xì)，與被吸附物的接觸面積大，且可以均勻接觸與吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細(xì)的表態(tài)，孔隙直接開(kāi)口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
吸附功能對(duì)比表：
粉末活性炭（Pac）<活性炭棒（CTO）<顆粒活性炭（GAC）<炭纖維（ACF）
攔截功能對(duì)比表：
粉末活性炭（Pac）<顆粒活性炭（GAC）<活性炭棒（CTO）<PP<炭纖維（ACF）
杰酷碧炭纖維（PS-ACF）的余氯去除性能：
豎向：去除性能
橫向：SV值
SV：空塔速度，即填充物粒的負(fù)荷指數(shù)、單位填充容積的過(guò)水量。
SV（1/h）=過(guò)水量（mL/h）÷體積（cm3）
說(shuō)明：杰酷碧炭纖維的余氯去除性能高、SV的依賴性小、所以相比同體積的活性炭濾芯保持較高性能
杰酷碧炭纖維（PS-ACF）與顆粒活性炭（GAC）的差異
| 杰酷碧炭纖維 | 顆粒活性炭 | 比較差異 | |
| 纖維直徑/顆粒大小 | 10～20μm | 1～3mm | 精細(xì)100倍 |
| 比表面積m2/g | 700～2500 | 900～1200 | 大2～3倍 |
| 外表面積m2/g | 0.2～2.0 | ～0.001 | 大200～2000倍 |
| 微孔直徑nm | 4以下 | — | 非常均勻 |
杰酷碧炭纖維 顆粒活性炭 比較差異
纖維直徑/顆粒大小 10～20μm 1～3mm 精細(xì)100倍
比表面積m2/g 700～2500 900～1200 大2～3倍
外表面積m2/g 0.2～2.0 ～0.001 大200～2000倍
微孔直徑nm 4以下 — 非常均勻
杰酷碧炭纖維（PS-ACF）與顆粒活性炭（GAC）的微孔結(jié)構(gòu)差異
| 微孔 | 杰酷碧炭纖維（PS-ACF） | 顆粒活性炭（GAC） |
| 均勻度 | 很均勻 | 非常不均勻 |
| 排列度 | 密集 | 非常分散 |
從上圖可以看出，在有效的吸附材料的一樣的基礎(chǔ)上：
杰酷碧炭纖維：微孔均勻而密集
顆粒活性炭：微孔不均勻而分散
微孔 杰酷碧炭纖維（PS-ACF） 顆粒活性炭（GAC）
均勻度 很均勻 非常不均勻
排列度 密集 非常分散
結(jié)論：具有吸附功能的微孔大量存在于纖維表面、使纖維的吸附速度非常快、吸附能力大幅提高。
活性炭纖維結(jié)構(gòu)
微孔形結(jié)構(gòu)
微孔半徑在2nm以下，其孔徑分布窄，特殊的細(xì)孔呈單分散分布，由不同尺寸的微細(xì)孔隙組成其結(jié)構(gòu)，并且中孔、小孔擴(kuò)散呈現(xiàn)出多分散型分布，在各細(xì)孔結(jié)構(gòu)中的差別較大，其主要原因在于原料的不同。在活性炭纖維中無(wú)大孔，只有少量的過(guò)渡孔，微孔分布在纖維表面，其吸附速率快，活性炭纖維絲束的空間起大孔作用，對(duì)氣相與液相物質(zhì)具有較好的吸附作用，其外比表面積大，吸脫速度快，為粒徑活性炭10~100倍。隨著比表面積增大，細(xì)孔的平均孔徑隨之增大，細(xì)孔容積增加，在細(xì)孔內(nèi)發(fā)生吸附后充填細(xì)孔內(nèi)。其比表面積增大吸附容量大，為粒狀活性炭的10倍，可吸附處理低濃度廢氣或具有高活性的物質(zhì)。活性炭纖維的體積密度小，濾阻小、可吸附粘度較大的液態(tài)物質(zhì)，且動(dòng)力損耗小。
表面化學(xué)結(jié)構(gòu)
活性炭纖維固體表面原子呈不飽和結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的表面化學(xué)性能，微晶在燃燒溫度低時(shí)易與氧化介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，主要有羧基、酚基、醌基等含氧基團(tuán)，及含硫基、氮元素、鹵素等官能團(tuán)。其表面酸性與吸附平衡有密切的關(guān)系。按照國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(1UPAC)的分類標(biāo)準(zhǔn)，吸附劑的細(xì)孔分為三類:孔徑大于50nm的為大孔，2nm~50nm的為中孔，0.8nm~2nm的為微孔以及小于0.8nm的為亞微孔。活性炭纖維的孔主要是亂層結(jié)構(gòu)炭和石墨微晶形成的微孔。微孔的大量存在使活性炭纖維的表面積增大，同時(shí)也使其吸附量提高。吸附劑中的大孔是作為被吸附分子到達(dá)吸附位的通道，它控制著吸附速度;活性炭纖維其纖維直徑一般在10nm~13nm、外表面積大、微孔豐富且分布窄、易于與吸附質(zhì)接觸、擴(kuò)散阻力小，所以其吸脫附速度快，有利于吸附分離。而且，可以根據(jù)需要制成氈、布、紙等各種形態(tài)，適應(yīng)于多種用途。活性炭纖維是由CF活化而成。CF為多晶亂層石墨結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成活性炭纖維后，結(jié)構(gòu)基元不變化。活性炭纖維是非均勻性的多相結(jié)構(gòu)。由于高溫水蒸氣將部分原子脫去后形成微孔結(jié)構(gòu)使之生成羧基、羰基等含氧活性基團(tuán)，使其表面的酸性增加。比表面積約為1200m2/g，遠(yuǎn)大于CF，在苛刻條件下活化時(shí)可達(dá)3000m2/g。活性炭纖維為分布狹窄單一孔徑的微孔結(jié)構(gòu)，其孔可以產(chǎn)生毛細(xì)管的凝聚作用。由于具有微孔，其吸附、脫附速率遠(yuǎn)大于兩個(gè)數(shù)量級(jí)，吸附量大。在填充床中流體的床層阻力小，可作為催化劑與催化劑載體使用在活性炭纖維分子內(nèi)的痕量雜原子為磷、氮、氯等。在活化時(shí)，部分雜原子被脫去后，表面的雜質(zhì)大大減少。由于活化中氧化氣體的作用，表面含氧基團(tuán)增強(qiáng)，主要有酸性基團(tuán)，如羧基等。中性基完備如羰基、內(nèi)酯基等。堿性基團(tuán)有過(guò)氧化基等。活性炭纖維會(huì)因活化的方法不同，而生成不同表面含氧基與表面酸堿性不同的產(chǎn)物。在水的作用下，其氧化還原能力更強(qiáng)。由于水的存在可以使一些基團(tuán)氧化成羥基。由此在表面含氧基團(tuán)數(shù)目增加后，表面氧化還原容量增大。
活性炭纖維實(shí)際應(yīng)用
近年來(lái)，隨著人類環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，對(duì)于生存的環(huán)境，特別是對(duì)空氣、水等凈化密切相關(guān)的活性炭等環(huán)保材料的性能要求越來(lái)越高，粒狀或粉狀活性炭已能很好滿足使用要求。傳統(tǒng)的活性炭是一種粒狀或粉狀的炭材，自20世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，在分離及凈化水及其它液體的除臭、凈化等方面得到廣泛應(yīng)用。粒狀或粉狀的結(jié)構(gòu)，它的吸附速度較慢，分離效率不高，特別是它的物理形態(tài)在應(yīng)用時(shí)有許多不便，限制了應(yīng)用范圍。活性炭纖維孔徑小且分布窄，吸附速度快，吸附量大，容易再生。與粉狀(5nm~30nm)活性炭相比，活性炭纖維在使用過(guò)程中產(chǎn)生的微粉塵少，可制成紗、線、織物、氈等多種形態(tài)的制品，使用時(shí)更加靈活方便。活性炭纖維被認(rèn)為是21世紀(jì)最優(yōu)秀的環(huán)保材料之一，在氣體和液體凈化、有害氣體及液體吸附處理、溶劑回收、功能電極材料等方面已得到成功應(yīng)用。
飲用水的凈化：隨著工業(yè)的發(fā)展與都市人口的密集，水的污染越來(lái)越嚴(yán)重，都市區(qū)內(nèi)的生活廢水處理量已越來(lái)越大。在廢水中特別是工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物有大量增加的趨勢(shì)，并且化工、冶金、煉焦、輕工等產(chǎn)業(yè)中的廢水為最主要的污染源，其含有的有毒物和有害物已在對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。隨著城市化的加速，有機(jī)物的污染，都市生活污水量的不斷增加，使工業(yè)廢水中排放的有機(jī)物不僅數(shù)量增加而且有毒的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成極大危害，因此確保優(yōu)質(zhì)飲用水的供應(yīng)是一件至關(guān)重要的事情。用活性炭纖維處理地下水可以獲得很好的效果。自來(lái)水中的殘氯也可用活性炭纖維吸附。地下水中的三氯乙烯(TCE)不僅使飲用水變味，而且在人體某一器官內(nèi)積累后將誘發(fā)致癌，因此TCE的污染是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。活性炭纖維對(duì)水中TCE的吸附量為粒狀活性炭的4倍。對(duì)大腸桿菌的吸附，所吸附的細(xì)菌數(shù)量隨比表面積的增大而增大。細(xì)菌吸附量還與活性炭纖維表面銀顆粒的大小有關(guān)。對(duì)水中的生物吸附，活性炭纖維也非常有效。近年來(lái)，城市人口的增加已使飲用水的供應(yīng)不足，國(guó)內(nèi)用活性炭處理三鹵甲烷廢水，其有效去除率僅為40%。對(duì)地下水的檢測(cè)表明，在水中已含有多種氯化物，這些氯化物具有致癌作用，自來(lái)水中的含氯物質(zhì)可用活性炭纖維加以去除。用活性炭纖維去除水中的三氯乙烯時(shí)，活性炭纖維的吸附量為粒狀活性炭的4倍，在實(shí)際處理中可比活性炭大1個(gè)數(shù)量級(jí)。
目前活性炭纖維已廣泛用于凈水器，特別是載銀活性炭纖維具有吸附和滅菌的雙重功能。用載銀活性炭纖維對(duì)大腸桿菌進(jìn)行吸附，在銀含量增加，比表面增大時(shí)，其吸附量增大，對(duì)水中其它微生物的吸附同樣有效。其中知名度較大的有派斯涅普頓系列凈水器；
