活性炭纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)，亦稱纖維狀活性炭，是20世紀(jì)60年代繼粉末狀、粒狀活性炭之后發(fā)展起來的第三代高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料，其超過50%的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性固體。它是由纖維狀前軀體經(jīng)過碳化、活化制成?；钚蕴坷w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(shù)的60%，含氧官能團(tuán)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(tuán)以及金屬等?；钚蕴祭w維的基本性能取決于其前驅(qū)體的物理和化學(xué)性質(zhì)，而它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用又是由其基本性能決定的。與傳統(tǒng)炭吸附材料相比，ACF具有獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，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(yōu)異吸附脫附性能。活性炭纖維的比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，微孔體積占總體積90%左右，其微孔直徑為10μm～40μm。

1. 結(jié)構(gòu)

炭纖維經(jīng)活化后，碳原子主要以類似石墨微晶片層、乳層堆疊的形式存在。它的結(jié)構(gòu)特點是有發(fā)達(dá)的比表面積，比表面積一般可達(dá)1000～1600m2/g，形成大量微孔，孔徑為10μm-40μm，且分布狹窄而均勻，微孔面積占總體積的90%左右。含有許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)—雜環(huán)結(jié)構(gòu)或含有表面官能團(tuán)的微結(jié)構(gòu)，具有極大的表面能。從而也就造就了微孔相對孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場，提供了一個吸附態(tài)分子和化學(xué)變化的高壓體系。使得吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑比活性炭短、驅(qū)動力大且孔徑分布集中，這是造成ACF比活性炭比表面積大、吸脫附速率快、吸附效率高的原因。另可通過適當(dāng)?shù)谋碛^改性，改變ACF表面的化學(xué)基團(tuán)的種類和含量，來滿足對特定物質(zhì)的高效吸附轉(zhuǎn)化。ACF通常適用于氣相和液相低分子量分子的吸附。當(dāng)吸附劑微孔大小為吸附質(zhì)分子臨界尺寸的兩倍左右時，吸附質(zhì)較易吸附。調(diào)整孔徑的目的就是使ACF的細(xì)孔與吸附質(zhì)分子尺寸相當(dāng)，改性需綜合考慮物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。

2. 性能

活性炭纖維與傳統(tǒng)炭材料相比具有以下優(yōu)良性能:

2.1 吸附容量大

ACF的吸附作用一直是人們研究和應(yīng)用的熱點，活性炭纖維具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，因而吸附量大。對有機(jī)氣體、惡臭、腥臭物質(zhì)，水溶液里的無機(jī)物、染料、有機(jī)物及重金屬離子吸附量比顆粒狀、粉狀活性炭高幾倍至幾十倍。對細(xì)菌、低濃度吸附質(zhì)的吸附能力特別優(yōu)良。

2.2 吸附脫附速度快

ACF表面主要是孔徑分布集中的微孔，吸附質(zhì)無需象活性炭一樣經(jīng)長距離的大孔，過渡孔到達(dá)微孔，粒內(nèi)擴(kuò)散阻力小，因而吸附速度快，對氣體液體的吸附一般能在數(shù)十秒至數(shù)分種內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。脫附速度快，且再生容易，用120～150℃熱空氣加熱10～30min即可完全脫附。在多次吸、脫附過程中，仍能保持原有的吸附性能。

2.3 氧化還原及催化特性

活性碳纖維的氧化還原性能在其溶液中吸附金屬離子時表現(xiàn)最為明顯?；钚蕴坷w維的氧化還原特性是由一系列電極電位不同的表面活性基團(tuán)引起的，活性炭纖維可以作為還原劑，也可用作氧化劑，這取決于所用體系的電位高低?；钚蕴坷w維在一定的催化溫度下表現(xiàn)出很高的催化特性，通過用H2SO4活化ACF，使其表面有催化能力，可以在NH3存在下把NO還原成N2。

2.4 其它特性

ACF還兼有纖維的各種特性，能制成纖維束、紙、布、氈等形狀，且性能良好，還能耐高溫、酸、堿，且能對活性炭纖維進(jìn)行改性，大大拓寬其用途。由于以上性能，活性炭纖維一問世就得到人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，目前被廣泛應(yīng)用于冶金、食品、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。

| 2.1 含苯系物廢氣處理

在噴漆行業(yè)中，大量的苯、甲苯、二甲苯等有機(jī)廢氣排放到空氣中，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，金毓荃等用比表面積為1200m2/g。纖維絮片單層厚度2mm的活性炭纖維處理苯系廢氣，當(dāng)在濾速為0.20m/s以下時，ACF對苯、甲苯、二甲苯及其混合物的凈化效率高達(dá)90%以上，ACF對3種不同物料的凈化效率依次是鄰二甲苯>甲苯>苯;在濾速為0.20m/s，ACF對苯系混合物的吸附容量為195mg/g左右;對ACF進(jìn)行脫附后再進(jìn)行吸附，連續(xù)14次實驗其結(jié)果基本保持不變。汪明光等開發(fā)了活性炭纖維吸附處理含甲苯廢氣技術(shù)，并用熱風(fēng)解吸工藝進(jìn)行了實驗。在中試實驗裝置中，活性炭纖維用量510kg，裝料厚度50mm下經(jīng)過吸附、脫附實驗，進(jìn)口濃度為1600mg/m3的廢氣吸附1h，每公斤ACF的吸附量為0.22～0.25kg甲苯。用熱風(fēng)反吹吸附后的裝置可達(dá)到解吸的目的，在脫附開始15～20min內(nèi)，脫附率可達(dá)80%以上。

中國石化集團(tuán)揚子石化公司貯運廠204棧臺共有裝卸車鶴管24套，用于裝卸苯及二甲苯，裝車過程產(chǎn)生的有害氣體，原設(shè)計由尾氣總管，經(jīng)氣流分離罐、排氣筒高空排放。由于排放氣中芳烴濃度較高，棧臺周圍環(huán)境中苯含量超標(biāo)，影響職工的身體健康。當(dāng)在棧臺尾部設(shè)計了一套FAC吸附—解吸裝置后，回收溶液中苯含量高達(dá)97%，效益可觀。

| 2.2 醋酸丁酯廢氣處理

目前，許多涂裝行業(yè)采用醋酸丁酯作溶劑，故生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含醋酸丁酯廢氣，造成污染。孫彤等用活性碳纖維作為吸附材料，以恒溫恒壓的空氣作載氣，通過鼓泡法配置一定濃度的醋酸丁酯氣體，當(dāng)氣速為0.06m/s時，ACF平衡吸附量近600mg/g，實驗結(jié)果表明，在溫度、氣體流速、氣體濃度3個因素中，溫度對ACF的平衡吸附量影響最大，隨著溫度的升高，ACF對醋酸丁酯的平衡吸附量下降，傳質(zhì)系數(shù)減少，穿透層高度增大。

| 2.3 含烷烴廢氣處理

徐雪峰等以ACF為吸附材料，采用吸附法對含環(huán)己烷有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附、回收、凈化處理，運行結(jié)果表明，在廢氣量為50～300m3/h，廢氣含環(huán)己烷質(zhì)量百分率為0.1～1.34%的條件下，用活性炭纖維進(jìn)行吸附解吸，環(huán)己烷的回收率達(dá)88%，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。在感光膠片的生產(chǎn)過程中有大量的二氯甲烷廢氣排出。李守信等在二氯甲烷廢氣的治理工程中，設(shè)計采用三箱吸附系統(tǒng)，當(dāng)廢氣流量為10000m3/h，廢氣中二氯甲烷濃度為3000mg/m3的條件下，設(shè)備裝置經(jīng)過半年時間，運行狀況一直良好，吸附效率一直保持在97%以上，大大改善了大氣環(huán)境，每年凈收益達(dá)7514萬元。

| 2.4 甲醇廢氣處理

陸安慧等研究了PAN基炭纖維預(yù)氧氈、炭氈、空氣氧化氈、KOH活化氈對甲醇這種有極性的小分子的吸附性能實驗。實驗發(fā)現(xiàn)活化程度高的ACF對甲醇蒸氣表現(xiàn)出較高的吸附能力。P.Navarri等對二甲醛和乙酸乙酯利用炭纖維材料進(jìn)行吸附處理，著重研究了不同碳纖維、纖維層數(shù)、不同氣體以及氣體濃度間的關(guān)系，取得了較好的效果。ACF吸附容量大而且脫附速度快，在溶劑回收方面也得到應(yīng)用。在回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2000×10-6的含酮混合溶劑中，回收率達(dá)98%，在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的應(yīng)用中，回收率均高于97%。