活性炭纖維(Activated Carbon Fiber,ACF),亦稱纖維狀活性炭,是20世紀60年代繼粉末狀、粒狀活性炭之后發展起來的第三代高效活性吸附材料和環保工程材料,其超過50%的碳原子位于內外表面,構筑成獨特的吸附結構,被稱為表面性固體。它是由纖維狀前軀體經過碳化、活化制成。活性炭纖維是由C,H,O3種元素組成的,主要成分是碳。碳原子以類似石墨微晶片層形式存在,約占總數的60%,含氧官能團如羥基、醚基約占25%,羰基、羧基、酯基約占10%,此外還有其它形式的官能團以及金屬等。活性碳纖維的基本性能取決于其前驅體的物理和化學性質,而它在各個領域中的應用又是由其基本性能決定的。與傳統炭吸附材料相比,ACF具有獨特的化學結構和物理結構,因而它具有含碳量高、比表面積大、微孔豐富且分布窄,吸附速度快,吸附容量大,再生容易等后者不可比擬的優異吸附脫附性能。活性炭纖維的比表面積一般可達1000~1600m2/g,微孔體積占總體積90%左右,其微孔直徑為10μm~40μm。
活性炭纖維的分類與制備工藝
隨著科研和技術的不斷進步,ACF的種類日趨繁多,根據其生產過程的前驅體不同分為粘膠基、酚醛基、聚丙烯腈基、瀝青基、聚偏二氯乙烯、聚酰亞胺纖維、PBO纖維、聚苯乙烯、聚乙烯醇纖維等等。目前工業上應用廣泛的是前4種。
由于原料不同,生產工藝流程也有所不同。綜合考察各種原料纖維到ACF的制備工藝,可將ACF整個制備過程歸納為:原料纖維、可炭化纖維、炭化纖維、活性炭纖維。原料纖維的預處理有兩種類型,它們分別有不同的作用,其一為無機鹽溶液浸漬預處理,能改善活性炭纖維的結構、性能和提高產品的產率。其二為預氧化穩定化處理,能保持纖維形狀,在炭化過程中不熔融變形,形成穩定的結構。炭化過程是在氮氣氣氛中加熱,排除纖維中可揮發的非碳組分,使殘留碳重排生成類石墨微晶的過程。炭化過程直接影響到產品的產率和性能。活化反應是使ACF生成豐富微孔,高比表面積及形成含氧官能團的主要過程。常見的活化方法主要有用CO2或水蒸汽的物理活化和用ZnCl2,H2PO4,KOH的化學活化,處理溫度在700~1000℃間。常用活化劑有水蒸氣和二氧化碳。