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活性炭纤维的研究及开发现状 王茂章 (中国科学院山西煤炭化学研究所太原030001) 活性炭纤维(ACF)是直径仅10-20um的纤维状碳质吸附剂，其形态有丝、布、毡、蛰、 块，甚至还可加工成波纹状和蜂窝状。然而，ACF比普通粒状和粉状AC成本高得多，因 此目前产量并不很大，仅占活性炭产量的0．3％“、，全世界总产量估计也仅数百吨。其应用主 要为溶剂回收、水和空气的净化以及日常生活中冰箱除臭，鞋垫除臭，妇女p生用品等处。此 外，作为大容量电双层电容和燃料电池的电极也已实用化。 ACF作为继粉状和粒状AC之后的第三种形态的活性炭(Ac)开发生产已近二十年。二 十年来这—材料已在前驱体的扩大，生产技术的改进、应用面的推广等不同方面取得了很大的 发展1-4)0本文仅简要介绍近年来对ACF基本结构几吸附和反应特性的新认识，在克服其固有 缺点，降低成本及提高体积密度所作的探索以及功能开发方面的新发展。 1 结构和吸附及反应特性的新认识 1．1结构特性 直径仅10p 孔，只是根据原料及活化条件的不同有少量20-5，0rim的中孔(或称之为过渡孔)。近年来， 不少学者认为ACF，特别是高比表面积的ACF，其中类石墨结构单元虽然按一定的方向排列， 但极不规整，相互间由∥键结合，形成不同的微孔。ACF中约有一半以上的碳原子起到了表 面的作用，故被认为是“表面陛固体”物质，其起表面作用的大小相当于1．0nm以下的超微 粒子，因此ACF也被认为是“表面，超微粒子、不规则结构和极微小空间形成的混合系统o’。 其中类石墨微晶多数不是由理想的六角苯稠环结构所形成，由于微晶尺度很小，故有众多的边 缘炭，这些活泼的边缘炭赋予它许多特殊性能，如果有N之类的杂原子存在，Ⅲq会进一步影 响其吸附特性。和普通活性炭～样，不同的制备条件和改性过程可使其表面化学结构发生变化， 如表面的酸碱性、含氧官能团和杂原子的种类和数量，类石墨微晶的石墨化度(平面大小和堆 叠厚度)以及端面和基面的比例等都将对ACF的吸附特性影响。 ACF中的微孔既有石墨微晶层面之问形成的层问iL，也有微晶粒子之间形成的粒间孔， 所形成的形状有狭缝形、楔形和封闭笼形。Economy根据原子隧道扫描电镜(STM)观察， 认为酚醛基ACF的微孔为椭鹰j形(16)0目浦普遍认为各种不f蜀形状的孔可能都会存在。超大比 表面积的ACF由于其孔壁仅由1—2层炭层面构成，在张力作羽下易形成椭圆形，而常规比表 面积的ACF，其孔壁的碳层面一般有30层，具有一定的刚性，不易弯曲，故易形成狭缝形 孔{6}，在吸附过程中孔的形状也可能发生变化。例如，ACF吸附水蒸气后，微晶层面收缩引 起孔壁紧缩而致微孔膨胀，孔径增大，楔形孔可能转化为狭缝形孔。(2．0rim的微孔可进一步 学者认为这一分类应按微孔中吸附势是否增强来确定，因此其界定与特定吸附质的大小有关， 凡由于相对孔壁的力场叠加而引起对吸附质的吸附势增强的微孔被认为是极微孔而不增强的为 超微孔“)。ACF的孔分布一般都呈双峰或多峰形分布”’。 2．2吸附和反应特陛 由于ACF极微孔孔壁力场的叠加故容易使微量甚至极微量吸附质进入微孔中，因此对于 脱除阈质极低的恶臭物质十分有效。另外它们易使被吸附分子形成分子簇，使之与吸附质本体 分子性质有所不同。在极微孔这样的反应空间往往可引发—些在常规反应条件下(本体反应或 宏观表面上)不能发生的反应或者使一些在常规反应空间必须在苛刻条件下(如高温高压)发 生的反应在普通条件下就可发生。例如，在室温下，普通微孔吸附剂不能吸附NO，但在具有 均微孔的ACF中，具有顺磁性的NO由于受相对孔壁叠加势能场的作用在室温下就能发生二 聚，凝缩为反磁性的(NOz)，其密度为固体NO的一半，且有一定取向。丽这一二聚反应在 空间可吸附更大量的NO，这一方面是由于产生了化学吸附辅助的微孔填充，在微孔中形成 同样，cch在微孔中吸附后也会形成一定的取向结构。如果在开阔的平面上体相分子要形成 这种取向结构必须在253K以下的低温才能发生”。固态NMR、在线XRD和吸附焓的直接测 量等试验都已证实微孔吸附态的N：、苯、H加和sO：等分子也都存在着有序结构““n‘1”。 由于微孔中吸附态分子的特殊化学状态使之具有不同于体相分子的能力，在微孔中NO和 H，O可形成稳定的混合，而在非微孔环境中，只在1000arm以上的高压才能_共混存在。在微 孔中，NO和So，可进行的这一反应在非微孔中也必