活性碳纖維製備與應用發展

刊登日期:2012/9/28
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活性碳之分類有兩種,詳述如下:(1). 以pH 值區分:在低溫(<400°C)下被活化的L 型活性碳,特性是會吸附OH- 離子而不吸附H+ 離子的活性碳,在750°C 以上被活化的H 型活性碳,僅會吸附H+ 離子是其特性;(2).以應用領域區分:用於各種廢氣、有機溶劑揮發氣體及各種臭味吸附之氣體吸著用活性碳,以及用於清潔劑、化學藥品、脫色、重金屬等液體吸附之液體吸著用活性碳。活性碳纖維一般以原料分類,包括聚丙烯(PAN)系活性碳纖維、嫘縈(Rayon)系活性碳纖維、瀝青(Pitch)系活性碳纖維、酚醛(Phenolformaldehyde )系活性碳纖維、木質素(Lignin)系活性碳纖維、聚二氯乙烯(Saran)系活性碳纖維。

表一、各種活性碳性能比較

活性碳纖維的製備方法和流程
活性碳纖維的生產是將有機前驅體纖維在溫度200~400°C 空氣中進行穩定化(或不融化)處理,隨後再於惰性氣體中進行碳化後再活化。常用的活化方法主要是CO2或水蒸汽的物理活化法,以及使用ZnCl2 、H3PO 、H2PO4 、KOH 的化學活化法。

物理活化法使用溫度範圍為800~1,000°C ,造孔一般可分為3 階段,第1 階段:打開封閉微孔→孔洞體積、比表面積明顯增加;第2 階段: 微孔擴張→ 活化達約50% Burn Off ,有孔隙度最大值;第3 階段:孔壁相互穿通。化學活化法使用的活化藥劑(Activation Agent)可抑制焦油生成,經由這種方式,活性碳的製造可將碳化、活化合併為一道工程,而孔洞則會在無機化學藥劑附近形成,兩者差異如表二所示。

表二、物理及化學活化法比較

目前主要的活化方法有物理活化法、化學活化法、物理/ 化學聯合活化法和其他活化法,如微波加熱等。以微波加熱製備活性碳為例,影響活性碳性能的最大因素是微波功率和微波加熱時間。近年有研究微波功率和微波加熱時間對活性碳性能的影響,但仍處於實驗室研究階段,也較少進行放大性的實驗研究。然而微波加熱具有加熱速度快、熱效率高、易於自動化控制及可以改善材料性能等優點,在活性碳製備中也逐漸受到重視。

活性碳的特徵
1. 活性碳的結構
活性碳纖維是一種典型的微孔碳(MPAC),被認為是“超微粒子、表面不規則的構造及極狹小空間的組合”,有一定的比例和多量的微孔, 其直徑為10~30µm 。其孔隙直接開口於纖維表面,超微粒子以各種方式結合在一起,形成豐富的奈米空間,這些形成的空間大小與超微粒子處於同一個數量級,從而造就了較大的比表面積,也由於含有許多的不規則結構- 雜環結構或含有表面官能團的微結構,具有極大的表面能,造就了微孔上孔壁分子共同運作形成強大的分子場,提供了一個吸附態分子物理和化學變化的高壓體系,使得吸附質到達吸附位元的擴散路徑比活性碳短、驅動力大且孔徑分布集中,也就是造成活性碳纖維之比表面積比活性碳之比表面積大,活性碳纖維吸/ 脫附速率快、吸附效率高的主要原因。
 (3)溫度的影響
對物理吸附而言,吸附量會隨溫度的升高而下降。在固定溫度下,吸附量通常和相對壓力P/P0 有關。其中, P 是系統中吸附質的分壓,而P0 則是該吸附質之飽和蒸汽壓。當P/P0 接近0.1 時,吸附量通常已達單層覆蓋;若P/P0 值繼續增加,將造成多層吸附;而當P/P0 = 1 時,則活性碳已被吸附質完全覆蓋。對化學吸附而言,在高溫時較易發生,低溫時要達到吸附平衡,所需的時間可能很長。

2. 孔隙結構控制
活性碳孔結構可分為微孔(r < 2 nm)、中孔(2 < r < 50 nm)和大孔(r > 50 nm)。活性碳纖維表面的孔洞主要是由亂層結構碳和石墨微晶形成的微孔,微孔的大量存在使活性碳纖維的表面積……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:詹玉燕、張孝全 / 工研院材化所
★ 本文節錄自「工業材料雜誌309期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10576


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