期：｝｝迭纸 ２０１３年第１期 ・综述与专论・ 活性炭纤维在空气过滤领域的应用现状 吴盼，张美云，刘峰 （陕西科技大学，西安７１００２１） 摘要针对应用于空气过滤领域，讨论了活性炭纤维的生产工艺和性质，并探讨了其采用传统湿法 造纸抄造过滤纸的可能以及活性炭纤维纸的应用现状，并对今后的研究提出了展望。同时介绍了活 性炭纤维／ＴｉＯ 复合材料的制备方法和作用机制。并且简单介绍了活性炭纤维配抄ＴｉＯ 光催化纸的 方法和过滤效果。 关键词活性炭纤维；ＡＣＦ／ＴｉＯ：复合物；空气过滤；过滤纸 达３０００ｍ ／ｇ＿３ Ｊ，且以微孔为主（绝大多数细孔在２ｎｍ １引言 随着生产和生活水平的不断提高，空调系统及各 以下，颗粒状活性炭的孔尺寸则大得多），其孔径分布 窄，无大孔，只有少量的过渡孔，微孔分布在纤维表 面。它还具有强度较高、耐高温、不宜粉化、加工成型 种装饰材料在建筑中被大量使用，在满足人们追求舒 适和装潢效果的同时，也给室内环境带来污染，使得室 内甲醛、苯系物、氨气、臭氧和氡气等污染物浓度水平 高于室外，对人们的健康造成了损害。目前通用的空 气过滤器一般使用玻璃纤维纸纸空气过滤材料，它只 是过滤灰尘，还不具备清除有害气体和细菌的功能，这 使得成功分离低浓度的气态污染物质和细菌成为改善 室内空气品质的关键。活性炭纤维是一种高效吸附分 离功能材料，具有比粉状或粒状活性炭更为优良的吸 性好等特点，可制成毡、布、纸等不同的性状，以及耐 酸和碱腐蚀、可再生、对环境友好的特性。这些特性 使其一出现就广泛应用于环保、电子、医用卫生、化工 等领域 。 ２．２活性炭纤维的生产工艺 目前用作ＡＣＦ前驱体的有机纤维主要有黏胶 基、聚丙烯腈基、酚醛基、沥青基、聚乙烯醇基、苯乙 烯／烯烃共聚物和木质素纤维等，其中前４种均已实 Ｊ现工业化。目前活性炭纤维的生产主要是聚丙烯腈 基和沥青基、黏胶基，其他炭纤维很少。 活性炭纤维生产工艺如下：１）浸渍（预处理）；２） 附能力，对有害气体组分的吸附能力为传统产品的１— １０倍¨ Ｊ。本文主要讨论活性炭纤维以及ＴｉＯ 空气 过滤材料在空气过滤领域的研究应用现状 Ｊ。 氧化工艺；３）碳化工艺；４）活化工艺，活化时尽可能多 地造孔，形成多孔结构 Ｊ。活化的方法包括气体活化 法和化学活化法。目前工业上主要采用以水蒸汽、二 ２活性炭纤维 ２．１活性炭纤维简介 氧化碳（用Ｎ 稀释）、氧气及其混合气体等为活性介 质的气体活化法。气体活化法通常在（７００～９００）ｏＣ， 处理（１０—６０）ｍｉｎ，使炭材料中无定型碳部分氧化刻 蚀成孔，过程中伴随着碳的烧失，达到活化目的。化 学活化法是以氢氧化钾、氨水、磷酸、硼酸、硫酸、硝酸 活性炭纤维（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ，ＡＣＦ）亦称纤 维状活性炭，是在碳纤维技术和活性炭技术相结合的 基础上发展起来的，是性能优于活性炭的一种多孔性 纤维吸附材料和环保工程材料。比表面积约为（１０００ ～或氯化锌等为活化剂，通过浸渍和混合的方法充分接 触作用一定时间，之后置于反应炉中在惰性气氛如 ２０００）ｍ ／ｇ，远大于炭纤维，在苛刻条件下活化时可 收稿日期：２０１３—０３—０４ ・６・ 期：ｌ｝选纸 ２０１３年第１期 Ｎ，中加热至（３５０～５００）ｏＣ，使其中的碳元素以ＣＯ和 ＣＯ 等小分子形式逸出而形成孔结构，最后用水充分 林润惠等认为虽然活性炭纤维尚含有少量的表面官 能团。但由于数量太少，纤维表面的一ＯＨ、一Ｈ已基 洗去碳材料中的活化剂，以形成微孔，从而得到较高 表面积。 ２．３活性炭纤维的组成、结构与性能 ＡＣＦ的直径一般为１０—３０ ｍ，主要由Ｃ、Ｈ、Ｏ三 种元素组成，其中约有６０％的Ｃ以类石墨碳形式存 在，ＡＣＦ有超过５０％的碳原子都位于内外表面，由于 表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合碳以 外的原子及原子基团，从而构成了独特的表面化学结 构。其含有的许多不规则结构（杂环结构）或含有表 面官能团的微结构，具有极大的表面积，也就造就了 微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供 一个吸附态分子物理和化学变化的高压体系。ＡＣＦ 不含有大孔，其微孔占大多数。当微孔与分子尺寸大 小相当时，在范德华力的作用下，相距很近的相对孔 壁的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加。 ＡＣＦ外表面积的孔口多，容易吸附和脱附，而且吸脱 行程短，吸附质到达吸附位的扩散路径短，驱动力大， 因此ＡＣＦ吸脱速率快，吸附容量大，效率高。活性炭 纤维经过特殊处理后，对于挥发性较高的，并且有吸 水性的气体也可以被完全吸附去。 ２．４活性炭纤维的表面改性技术 ＡＣＦ对吸附质的吸附作用与ＡＣＦ的表面特性密 切相关。因此，可以采取氧化还原法、表面负载法、浸 渍法、热处理法、等离子体法和微波辐照法等方法对 ＡＣＦ表面化学结构进行改性，从而提高ＡＣＦ的吸附 性能。宋晓峰等采用浸渍硝酸铁溶液法对ＰＡＮ— ＡＣＦ进行改性，从而迅速地提高其对ＮＯ的吸附转化 率 ］。路培 等研究发现，低温时负载质量分数 １０％的Ｃｅ使得ＡＣＦ催化氧化ＮＯ的能力得到较大地 改善 ｊ。杨波 等采用浸渍法制备了负载ＣｕＣ１的 ＡＣＦ。并且发现其对噻吩硫的脱除率高达８９． ２９％ ９ Ｊ。余纯丽等研究表明，经过微波辐射、硝酸回 流和微波一硝酸处理改性后的粘胶基ＡＣＦ，明显增大 了其ＢＥＴ表面积和微孔容量，同时也提高了该ＡＣＦ 对Ｎ的吸附能力¨ 。 ２．５活性炭纤维纸的生产工艺 活性炭纤维的使用形态有毡、布和纸。目前在活 性炭纤维毡和布方面已进行了较广泛的研究和应 用 卜 但关于活性炭纤维纸的研究报道很少 。 见报道的方法主要有采用湿法成型造纸工艺制备活 性炭纤维纸（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｐａｐｅｒ，ＡＣＦＰ）。 本被破坏，抄造过程中难以形成氢键。此外，活性炭 纤维本身的强度太低，用手一捏便成粉末，基本上无 强度可言。故１００％采用活性炭纤维抄纸理论上虽然 会有很高的吸附能力，但却无法抄造成纸页。此外， 其还认为不宜采用粘胶剂进行干法造纸，主要是因为 使用胶粘剂会降低吸附能力，而且在使用过程处理纸 张时有污染环境的可能，例如在灼烧时会有一定的异 味产生，加上不用木浆其强度确实太低，很难达到使 用要求 。比较之下，湿法生产还是有其长处。因 此主要的方法是ＡＣＦ与木浆进行配抄，使用传统的 湿法造纸工艺生产。活性炭纤维的比例为７０％一 ７５％，既满足吸附的条件又可以同时又具备一定的物 理强度并适合造纸机的运行。抄造过程中两种原料 均有一定的打浆要求，纸张能否有较好匀度还取决于 是否能缩短流程、是否有较强的搅拌以减少沉降与絮 聚。此外在干燥之前要尽量减少湿纸页的水分，造纸 机干燥能力要足够。 胥绍华研究认为活性炭纤维（打浆浓度２％，叩 解度１００ＳＲ）７０％一７５％的含量与木浆（打浆浓度 ２％，叩解度６６．５０ｓＲ）配抄，上网浓度０．１％一０． ５％【１５］。质量检验指标如表１所示： 表１活性炭纤维纸的检测指标 项目 检测结果 标准 定量ｇ／ｍ ２６８ ２７０５ 炭含量ｇ／ｍ １５０ ＞５０ 厚度ｍｍ ０．８５０ — 紧度ｇ／ｃｍ ０．３１６ — 抗张强度ｋＮ／ｍ ０．６７ ＞０．６５ 最大孔径 ｍ ４３ — 吸附效率％（２４℃，ＲＨ４０％） ９９．９ ＞９２ 空气阻力Ｐａ ６１．７ ＜４００ 孔隙率％ ８１．３ 一 外观 表面细腻 ２．６活性炭纤维材料的生产及其在空气过滤器的应用 活性炭纤维可以制成活性炭纤维毡，活性炭纤维 布和活性炭纤维纸等材料。活性炭纤维材料国内外 都有生产，日本的技术较发达，国产的一些产品也可 以与国外媲美，但是活性炭纤维的造价仍比较高。已 经生产的活性炭纤维空气过滤器主要材料时活性炭 ・７・ 煳 ｝选绒 ２０１３年第１期 纤维毡和活性炭纤维布，使用活性炭纤维纸的过滤材 料未见报道，以下简单介绍一下国内外的活性炭纤维 材料的生产情况以及其在空气过滤方面的应用。 ２．６．１活性炭纤维材料的生产 日本尤尼吉可公司生产的用于空气净化的活性 炭纤维布系列产品。主要是使用干法将活性炭纤维 和黏胶纤维混合制成。主要用于去除由建筑材料和 装饰材料而产生的挥发性有机物ＶＯＣｓ（主要包括甲 醛、苯、甲苯、低级醇和酮及卤代物等，其中大部分为 致癌物质，如苯、氯乙烯等，家庭除臭等。其生产的还 有蜂窝状过滤器，是由波浪状薄膜和板状薄膜组合而 成的过滤网，可以制作化学过滤器，室内空调，空气净 化器上用的过滤器。 鞍山森鑫活性炭环保材料厂生产的活性炭纤维 纸所用材料主要是活性炭纤维，具有较好的吸附性 能，而且强度好，不易粉化，不掉粉，透气性好。 苏通碳纤维公司生产有活性炭纤维纸，活性炭纤 维布和活性炭纤维毡。其生产的活性碳纤维纸是将活 性炭、活性碳纤维和纸复合制成的滤材，它兼有活性炭 的吸附功能和对微粒过滤的性能，并可适应缠绕或折 叠等方式的机械加工，主要适用于水净化和空气净化。 ２．６．２活性炭纤维空气过滤器 活性炭纤维过滤器现在都主要采用活性炭纤维 毡或纤维布制成。ＡＣＦ过滤器可制成袋式，平板式， Ｖ型板式等多种结构。根据湖南大学戴飞的试验，平 板式过滤器吸附效率和吸附阻力均可接受，且加工工 艺简单，有利于成批生产，可以应用于舒适型空调。 ３ ＴｉＯ：活性炭纤维复合材料 光触媒ＴｉＯ 就是在足够强的光源照射下，能吸收 特定波长的光能而起触媒反应的物质。对甲醛、苯、氨 气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影响人类身体健 康的有害有机物起到净化作用。对大肠杆菌、黄色葡 萄球菌等具有杀菌功效，同时还能分解从细菌死体上 释放出来的有害物。多孔材料与纳米ＴｉＯ 复合是目 前光催化领域的研究热点。多孔炭吸附和ＴｉＯ 光催 化氧化是目前ＶＯＣｓ深度净化所采用的两种主要手段。 多孔炭吸附主要是以微孔填充的物理吸附为主，容量 有限，吸附饱和后炭需再生化处理，易引起二次污染。 ＴｉＯ 光催化氧化在ＶＯＣｓ去除过程中存在部分污染物 不能完全矿化、反应速率慢、对部分ＶＯＣｓ的氧化活性 ．８． 不高、中间产物导致催化剂失活、水蒸气对反应具有抑 制作用、催化剂难以回收再利用等问题¨ 。对水相及 部分气相有机污染物的去除表明，将ＴｉＯ 与ＡＣＦ复 合，不仅可以解决催化剂分离回收问题，而且还能通过 载体的吸附富集作用来提高光催化传质速率及矿化效 率，同时ＴｉＯ 作为降解中心可形成ＡＣＦ内外吸附质的 浓度差，实现其原位再生。 ３．１ ＴｉＯ２／ＡＣＦ的制备 ］ ３．１．１物理法 物理法通常是采用物理手段，直接将ＴｉＯ：粉末 固定在ＡＣＦ上，不涉及化学反应。该法主要包括浸 涂法、偶联法和磁控溅射法。浸涂法是将ＡＣＦ浸入 由ＴｉＯ 粉末于水或醇中经超声分散形成的悬浮液 中，而后进行提拉、常温或加热脱除溶剂，如此重复数 次，然后经煅烧得到ＴｉＯ ／ＡＣＦ；偶联法是将ＴｉＯ 粉 末通过偶联剂（硅偶联剂、环氧粘合剂等）涂覆到 ＡＣＦ上，然后经干燥、煅烧得到ＴｉＯ ／ＡＣＦ；磁控溅射 法是将ＡＣＦ固定在基片上，通过在阴极射靶（］ｒｉ靶） 内增加磁极，使所施加的电场和磁场在靶表面附近的 空间形成一定几何形状的正交区域，并在此区域内形 成高密度的等离子体区正离子在直流电压作用下轰 击Ｔｉ靶发生溅射，得到ＴｉＯ ／ＡＣＦ。 ３．１．２化学法 化学法通常是将ＴｉＯ 前驱物（如钛酸丁酯）通过 一系列物理化学变化形成ＴｉＯ 而沉积在ＡＣＦ上。该 法主要包括溶胶一凝胶法、水解法和化学气相沉积 法。溶胶一凝胶法是将Ｔｉ（ＯＣ４Ｈ９）４溶于无水乙醇 中，以二乙醇胺为抑制剂，室温下加入到中强酸度的 水溶液中，强烈搅拌水解得到ＴｉＯ：溶胶。将ＡＣＦ浸 入其中而后进行提拉，然后在１００％左右或者自然状 态下凝胶，上胶与凝胶过程可重复数次以增加厚度， 最后经煅烧得到ＴｉＯ２／ＡＣＦ；水解法是将ＴｉＣ１ 通过水 解反应形成ＴｉＯ 前驱体而沉积在ＡＣＦ上，然后经煅 烧得到ＴｉＯ ／ＡＣＦ；化学气相沉积法将原料载气（Ａｒ 或Ｈ：）通过前驱物（含Ｔｉ有机化合物），使其蒸汽压 达到某一定值后，在高温炉中分解，使分解产物沉积 在基材（ＡＣＦ）上。 ３．２ ＴｉＯ，／ＡＣＦ去除ＶＯＣｓ的协同作用机制 将ＴｉＯ 和ＡＣＦ复合在一起，由于ＡＣＦ对ＶＯＣｓ 的吸附容量要远远大于ＴｉＯ ，但其吸附强度较ＴｉＯ： 要弱，因而在浓度梯度和吸附力的共同作用下，吸附 在ＡＣＦ上的ＶＯＣｓ会向ＴｉＯ 上迁移，形成微细范围 煳：｝｝迭纸 ２０１３年第１期 内的局部高浓度，达到一定浓度后，通过ＴｉＯ：的光催 纤维没有被广泛应用于空气过滤装置的一个原因。因 此，今后的研究重点是开发低成本、高强度的ＡＣＦ以及 化氧化能力使其矿化为小分子并离开催化剂表面，同 时ＡＣＦ得以再生，实现了污染物从气相到ＡＣＦ再到 ＴｉＯ２的循环过程．将ＴｉＯ２与ＡＣＦ复合，ＡＣＦ作为吸 附中心可对低浓度ＶＯＣｓ污染进行有效富集、浓缩， 为ＴｉＯ 提供高浓度反应环境，加快ＴｉＯ：的光催化降 与其它材料的复合应用等新领域。 参考文献 ［１］曹雅秀，刘振宇，郑经堂．活性炭纤维及其吸附特性［Ｊ］．炭 解速率；ＡＣＦ还能捕获中间产物，防止其逃逸，一旦扩 散到ＴｉＯ，／ＡＣＦ表面，就能发生光催化降解从而提高 矿化率；ＡＣＦ为疏水性吸附剂，可有效消除水蒸气的 存在对ＴｉＯ：光催化的副作用；ＡＣＦ的大比表面积可 使催化剂活性组分得到较好分散，活性相结构得到优 化。此外，ＴｉＯ：负载前后对ＡＣＦ的吸附能力没有显 著影响，能够保持其孔隙结构和表面化学结构；同时， ＴｉＯ 作为降解中心可形成ＡＣＦ内外吸附质的浓度 差，实现其原位再生，延长其达到吸附饱和的时间，增 加其平衡吸附量¨ 。 ３．３活性炭纤维配抄ＴｉＯ 光催化纸 王芳等的研究结果表明，活性炭纤维的材质柔 软、表面有深的沟槽、含氧基团数量较多；活性炭纤维 配抄的ＴｉＯ 光催化纸重复使用效率明显高于活性炭 纤维吸附纸，吸附／光催化协同作用明显；连续使用两 次时，其反应２１０ｍｉｎ时甲醛的降解率均能达到９０％ 以上；活性炭纤维光催化纸孔隙大，部分ＴｉＯ 分布于 活性炭纤维的沟槽内，有效增加了ＴｉＯ 和活性炭纤 维的接触面积 。实验是基于传统纸张抄造过程的 加填方法，选择活性炭纤维（５０％）为光催化剂ＴｉＯ （２０％）的载体，针叶木纤维使用量为３０％，纸张定量 １００ｇ／ｍ 并辅以湿部添加胶乳作为纸页增强剂，以制 备高降解效率多孔性的光催化纸张。其中助留剂 ＰＥＩ用量０．０５％，ＡＰＡＭ用量为０．０５％。 ４结论 现在通用的空气过滤装置大多是由玻璃纤维纸作 为过滤材料，其只能过滤灰尘，而对于有害气体和细菌 等的过滤有限。而活性炭纤维由于其强大的吸附性 能，可以有效去除有害气体。特别是活性炭纤维和 ＴｉＯ：复合材料，既利用了活性炭纤维的吸附作用，又利 用了ＴｉＯ 的氧化还原作用，可以更有效的去除有害气 体和细菌。通过实验证明了这些材料利用传统造纸方 法抄造空气过滤纸的可能，其应用很有前景。但活性 炭纤维的价格约是活性炭的５—１００倍，这也是活性炭 素，１９９９，２：２０—２３． ［２］贺福，王茂章．碳纤维及其复合材料［Ｍ］．北京：科学出版 社．１９９７ ［３］芮祥军，何文君．活性炭纤维（ＡＣＦ）应用于有机废气回收 和净化的进展［Ｊ］．污染防治技术，２０１１，２４（５）：ｌ１ ［４］肖长发．活性碳纤维及其应用［Ｊ］．高科技纤维与应用， ２００１，２６（４）：２７—３１． ［５］刘振宇，郑经堂．ＰＡＮ基活性碳纤维研究及展望［Ｊ］．化工 进展，１９９８，１：１８—２１． ［６］陈逸，谷科成，张恒，陈勇．活性炭纤维负载ＴｉＯ２的光催化 性能［Ｊ］．后勤工程学院学报，２０１０，２６（１）：７１ ［７］宋晓峰，王建刚，王策．浸渍法改性活性炭纤维吸附一氧化 氮的研究［Ｊ］．合成纤维－Ｙ－，３ｔ：，２００５，２８（２）：３０—３２ ［８］崔华飞，李彩亭，路培，彭敦亮，郭静，陈玲．ＡＣＦ负载金属 氧化物及尿素低温去除ＮＯ［Ｊ］．环境科学，２０１０３１（１１）：２５７５ —２５８１ ［９］杨波，李建新，刘雪霆，陈琪，崔鹏．Ｃｕ．ＡＣＦＳ深度脱硫吸 附剂的制备与性能［Ｊ］．应用化工２００９，３８（１２）：１７２０—１７２３ ［１０］李新艳，秦志宏．活性炭纤维的研究进展［Ｊ］．化工生产与 技术．２０１１，１８（４）：４３ ［１１］Ｂｒａｓｑｕｅｔ Ｃ，Ｃｌｏｉｒｅｃ Ｐ Ｌｅ．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎｔｏ ａｃｔｉｖ￣ｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｉｆｂｅｒ：ａｐｐｌｉｃｍｉｏｎ ｔｏ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｍｒ ｔｒｅ￣ｍｅｎｔ８．Ｃａｒｂｏｎ，１９９７，３５（ ９）：１３０７ ［１２］Ｂｒａｓｑｕｅｔ Ｃ，Ｒｏｕｓｓｅａｕ Ｂ，Ｅｓｔｒａｄｅ—Ｓｚｗａｒｃｋｏｐｆ Ｈ，ｅｔ ａ１． Ｏｂｓｅｒｖ￣ｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ＳＥＭ ａｎｄ ＡＦＭ ｃｏ￣ｅｌａ． ｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｄｓｏｐｒｔｉｏｎ ｄａｔａ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｃａｒｂｏｎ，２０００，３８（ ２）：４０７ ［１３］符若文，曾汉民，陆耘，等．活性炭纤维纸的研究．合成 纤维工业，１９８９（４）：６ ［１４］林润惠，郭纬，郑荣辉，骆雪萍，邝守敏，吴葆敦，李向华． 活性炭纤维纸的抄造技术研究［Ｊ］．广东造纸，１９９９，５：５７ ［１５］胥绍华．活性炭过滤纸的生产工艺与应用前景［Ｊ］．湖南 造纸，２００９，３：１１ ［１６］王芳，陈港．ＴｉＯ２光催化纸张中活性炭纤维协同降解甲醛 作用的研究［Ｊ］．应用基础与工程科学学报，２０１０，１８：３３ ［１７］罗沙，刘守新．ＴｉＯ２／￣性炭纤维复合材料去除室内挥发 性有机物的研究进展［Ｊ］．化学通报，２０１０，１：１０ 作者简介昊盼女士，陕西科技大学在读硕士研究生；主要研究方向： 加工纸与特种纸。 ・９・