专利名称：复合活性炭纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合活性炭纤维及其制备方法。
背景技术：
活性炭是第一代的多孔炭吸附材料，可分为粉状活性炭和粒状活性炭两类。活性炭由于其低廉的价格和较高的吸附容量而在环境净化中发挥重要的作用。但其低的孔隙利用率，慢的吸附-脱附速率、对低浓度有机物处理不彻底，使其往往未能达到快速、彻底(处理后出口浓度达到ppb级别)除去低浓度有机污染物的要求。
活性炭纤维是第二代的新型炭质吸附材料，是一种多孔性纤维状吸附材料，结构上与活性炭有很大的差别。它具有发达的微孔结构、更高的比表面和外表面积，因而具有更高的吸附容量和更快的吸附速度。对有机蒸汽的吸附量比粒状活性炭大几倍甚至几十倍；对气体的吸附数十秒至数分钟可达平衡。活性炭纤维对水中即使很低浓度的有机物也有很强的吸附能力，是污水深度处理的理想吸附材料。某些工业污水经过活性炭纤维的吸附处理，可实现水的回用。活性炭纤维也逐渐被用于饮用水的深度处理，有效地除去致味、致色物质及有毒有害物质。
但是，活性炭纤维较高的价格，妨碍了其在环境治理中的广泛应用。
目前，提高活性炭纤维的生产得率，控制活性炭纤维的结构，从而大幅度降低其生产成本，获得良好的性价比，是这类材料产业化的瓶颈。
本发明采取新的材料设计方案及化学活化技术，可以大大提高生产得率，提高活性炭纤维的强度及使用性能，从而大幅度地降低该新型复合活性炭纤维的生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的复合活性炭纤维及其制备方法。
本发明的复合活性炭纤维是该由玻璃纤维和包覆于玻璃纤维外层的多孔炭层构成，该多孔炭层占复合活性炭纤维总重量的10～50％，多孔炭层中有丰富的微孔。
所述的复合活性炭纤维的多孔炭层可由聚丙烯腈、聚乙烯醇或酚醛等高聚物经高温炭化活化而成。
所述的复合活性炭纤维中的玻璃纤维可为玻璃纤维丝或玻璃纤维布。所述的玻璃纤维丝的直径一般为1μm～50μm。
本发明复合活性炭纤维的比表面积一般为500m2/g C至1800m2/g C；孔体积一般为0.5mL/g C～1.7mL/g C。微孔的孔径主要集中在0.6～1.2nm左右；部分中孔孔径可达40nm。
本发明的复合活性炭纤维可通过以下方法制备将聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇等高聚物与与8～15wt％的氯化锌溶液或15mol/L磷酸配成混合溶液；高聚物与氯化锌的重量比为1∶1～1∶7，或高聚物与15mol/L磷酸的重量比为1∶1；然后将玻璃纤维浸渍于该混合溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后将上述纤维加热至500～900℃温度下碳化活化0.5～6小时，得到有大量微孔的复合活性炭纤维。
按照上述的制备方法，必要时还可在碳化活化时通入水蒸汽活化，水蒸汽的流量通常为0.5～5g/min。
本发明采用树脂涂布玻璃纤维基质为原材料，并采用化学活化的方法，制备具有“皮芯复合结构”的新一代“复合活性炭纤维”。本发明可以大大提高生产得率，从而大幅度地降低该新型复合活性炭纤维的生产成本。
图1为本发明复合活性炭纤维样品的扫描电镜图。显示活性多孔炭层基本均匀地包覆于玻璃纤维的外表面。
图2为复合活性炭纤维的微孔分布图。显示该复合活性炭纤维的微孔主要集中在0.6～1.0nm之间。
具体实施例方式
实施例1将聚乙烯醇高分子粉料与氯化锌按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇10wt％的溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中2小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，于140℃下干燥30min，得到含高聚物涂层的玻璃纤维。将该纤维在氮气保护下，于500℃下碳化活化6小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为900m2/gC。
实施例2将聚乙烯醇高分子粉料与氯化锌按1.5∶10重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％的溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中3小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，于140℃下干燥30min，得到含高聚物涂层的玻璃纤维。将该纤维在氮气保护下，于700℃下碳化活化2小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为1840m2/g C。其中中孔的表面积约占总比表面积的30％。
实施例3将聚乙烯醇高分子粉料与氯化锌按1.5∶8重量比混合，配成含聚乙烯醇15wt％的溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中2小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，于140℃下干燥30min，得到含聚乙烯醇涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于600℃下碳化活化2小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为1800m2/g C。微孔的孔径主要分布在1.0nm左右。
实施例4将聚乙烯醇高分子粉料与氯化锌按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％的溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中0.5小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，于140℃下干燥30min，得到含聚乙烯醇涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于900℃下碳化活化0.5小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为1030m2/g C。微孔的孔径主要分布在0.8nm左右。
实施例5将聚乙烯醇高分子粉料与氯化锌按1∶4重量比混合，配成含聚乙烯醇8wt％溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中1小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，得到含聚乙烯醇涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于900℃下碳化活化1小时，随后通入水蒸汽活化1小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为1200m2/g C。微孔孔径主要分布在1.3nm附近。
实施例6将聚乙烯醇高分子粉料与15mol/L的磷酸按1∶1重量比混合，配成含聚乙烯醇15wt％溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中0.5小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，得到含聚乙烯醇涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于450℃下碳化活化2小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为510m2/g C。
实施例7将聚丙烯腈与氯化锌按1∶2重量比混合，配成含聚丙烯腈8wt％的溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中2小时，取出浸泡了高聚物的玻璃纤维，于140℃下干燥30min，得到含聚丙烯腈涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于800℃下碳化活化2小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为1030m2/g C。微孔的孔径主要分布在0.8nm左右。
实施例8将酚醛树脂与磷酸按1∶2重量比混合，配成酚醛含量8wt％的溶液，然后将该树脂混合物涂布于玻璃纤维上。将该纤维在氮气保护下，于900℃下碳化活化2小时，得复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维经低温氮吸附实验进行的孔结构分析表明，该复合活性炭纤维多孔炭层的比表面积为600m2/g C。微孔的孔径主要分布在0.8nm左右。
权利要求
1.一种复合活性炭纤维，其特征是该复合活性炭纤维由玻璃纤维和包覆于玻璃纤维外层的多孔炭层构成，该多孔炭层占复合活性炭纤维总重量的10～50％，多孔炭层中有丰富的微孔。
2.一种如权利要求1所述的复合活性炭纤维，其特征是该复合活性炭纤维的比表面积为500m2/gC至1800m2/gC；孔体积为0.5mL/g C～1.5mL/gC。
3.一种如权利要求1所述的复合活性炭纤维，其特征是所述的多孔炭层由聚丙烯腈、聚乙烯醇或酚醛经高温碳化活化而成。
4.一种如权利要求1，2或3所述的复合活性炭纤维，其特征是所述的玻璃纤维为玻璃纤维丝或玻璃纤维布。
5.一种如权利要求4所述的复合活性炭纤维，其特征是所述的玻璃纤维丝的直径为1μm～50μm。
6.权利要求1～5之一所述的复合活性炭纤维的制备方法，其特征是将高聚物聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇与8～15wt％的氯化锌溶液或15mol/L的磷酸溶液配成混合溶液；高聚物与氯化锌的重量比为1∶1～1∶7，或高聚物与15mol/L磷酸溶液的重量比为1∶1；然后将玻璃纤维浸渍于该混合溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后将上述纤维加热至450～900℃温度下碳化活化0.5～6小时，得到有大量微孔的复合活性炭纤维。
7.一种如权利要求6所述的复合活性炭纤维的制备方法，其特征是在碳化活化时通入水蒸汽活化，水蒸汽的流量为0.5～5g/min。
全文摘要
本发明涉及一种复合活性炭纤维及其制备方法。该复合活性炭纤维由玻璃纤维和包覆于玻璃纤维外层的多孔炭层构成，多孔炭层中有丰富的微孔及部分中孔；多孔炭层由聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇与氯化锌或磷酸的混合物经高温碳化活化而成。将玻璃纤维浸渍于由聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇与氯化锌或磷酸组成的混合物的溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后经450～900℃高温碳化活化，必要时再通入水蒸汽活化30～360分钟，得到复合活性炭纤维。该复合活性炭纤维的多孔炭层具有丰富的微孔和中孔，具有较高的比表面积。本发明对于提高活性炭纤维的强度、提高该材料的得率、降低该材料的生产成本及促进该材料的广泛应用，都具有重要的经济价值和社会意义。
文档编号B01J20/20GK1792936SQ20051010194
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者陈水挟, 李惠君 申请人:中山大学