活性炭纤维滤材的制备及其性能研究

摘要

随着有机化工产品在工业以及生活中的广泛应用，大气中含有较高浓度的挥发性有机气体(VOCs)危害着人类的健康，吸附法因工艺设备简单、无二次污染是应用最广泛的VOCs净化方法，而吸附法的关键在于吸附剂的选择，其中活性炭纤维作为一种理想的高效吸附材料最受关注。但由于技术水平的限制，活性炭纤维价格较高，且多数以菲织造针刺法制成毡类吸附材料，此类吸附材料滤阻较大，严重制约了活性炭纤维滤材的应用。本文主要以降低生产成本、提高吸附性能为目的来制备高性能活性炭纤维结构化滤材。
　　首先，本文研究了活性炭纤维滤材的成型方式。以粘胶基活性炭纤维丝为原料，采用液压成型技术制备成三维微纤维结构化滤材，并将其与传统活性炭纤维毛毡进行对比。结果表明，与非织造针刺成型制备的毛毡滤材相比，采用液压成型制备的滤材三维网状结构更加明显，苯蒸汽的透过时间延长了2.8倍，吸附容量也更大，渗透率更高，显示出更好的吸附性能。
　　然后探索以二氧化碳直接活化法制备高性能活性炭纤维时，活化温度、活化时间以及活化升温速率对活性炭纤维比表面积和收率的影响;通过扫描电镜(SEM)、自动吸附仪、红外光谱(FT-IR)和X-射线光电子能谱(XPS)等表征手段，研究活性炭纤维的微观结构、比表面积、孔径分布和表面基团;利用自搭建的VOCs吸附检测装置，探讨不同的活化温度、活化时间对PAN基滤材吸附性能的影响，并进一步对比PAN基滤材和粘胶基滤材吸附性能的差别，以及活性炭纤维的再生能力。结果表明，在活化温度为1000C、活化时间为100min、升温速率为15℃/min的条件下制得的PAN基活性炭纤维比表面积最大为1612m2/g，总孔容积为0.73cm3/g，最可几孔径为0.90nm，富含微孔结构，表面基团主要为羟基、胺基、羰基、羧基、酯基，其吸附苯系气体能力也最强，其中苯吸附容量为370mg/g、甲苯吸附容量为458mg/g;与粘胶基滤材相比，PAN基滤材更适合用来吸附苯系气体，其中甲苯吸附容量扩大了18％;滤材循环使用5次后，吸附容量仍可保持在95％以上，活性炭纤维有良好的再生能力，可以循环使用，这大大降低了生产成本，有效避免了资源的浪费，具有较好的工程应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 有机废气污染

1．2 有机污染物的净化方法

1．2．1 燃烧法

1．2．2 电晕法

1．2．3 吸收法

1．2．4 冷凝法

1．2．5 膜分离法

1．2．6 生物法

1．2．7 吸附法

1．3 吸附现象

1．3．1 物理吸附和化学吸附

1．3．2 吸附等温线

1．3．3 吸附剂

1．4 活性炭纤维

1．4．1 活性炭纤维起源及国内外发展现状

1．4．2 活性炭纤维的孔结构

1．4．3 活性炭纤维的表面性质

1．4．4 活性炭纤维的制备

1．4．5 活性炭纤维的应用概况

1．5 课题主要研究目的及内容

1．5．1 课题的研究目的和意义

1．5．2 课题的研究思路与具体内容

第二章 实验材料与实验方法

2．1 实验试剂与仪器

2．2 微纤维结构化滤材的制备

2．3 微纤维滤材吸附苯系污染物装置及方法

2．3．1 微纤维滤材吸附苯系污染物装置及流程

2．3．2 活性炭纤维吸附性能测试方法

2．4 活性炭纤维的制备

2．5 活性炭纤维的表征及其性能研究

2．5．1 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．5．2 氮吸附

2．5．3 红外光谱(FT-IR)分析

2．5．5 活性炭纤维吸附苯系污染物性能研究

第三章 微纤维结构化滤材对苯系污染物吸附性能的研究

3．1 引言

3．2 微纤维结构化滤材的制备

3．3 不同成型方式对滤材吸附苯系污染物性能的影响

3．3．1 苯

3．3．2 甲苯

3．3．3 二甲苯

3．4 小结

第四章 活性炭纤维的制备与表征

4．1 引言

4．2 活性炭纤维的制备工艺

4．2．1 二氧化碳活化温度的考察

4．2．2 二氧化碳活化时间的考察

4．2．3 二氧化碳升温速率的考察

4．3 活性炭纤维的表征

4．3．1 活性炭纤维的扫描电镜图

4．3．2 活性炭纤维的吸附等温线

4．3．3 活性炭纤维的孔结构

4．3．4 活性炭纤维的表面基团

4．4 PAN基滤材对苯系污染物的吸附性能研究

4．4．1 活化温度对吸附的影响

4．4．2 活化时间对吸附的影响

4．5．PAN基滤材和粘胶基滤材对苯系污染物的吸附性能对比

4．6 活性炭纤维的再生

4．7 小结

第五章 结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢