[发明专利]活性碳纤维的制备方法及其用于处理染料废水的方法

说明书

本发明涉及一种活性碳纤维的制备方法，以及采用该方法所制备的活性碳纤维吸附处理含染料废水。

含染料废水的处理多使用混凝剂、氧化脱色及生物降解等手段，经一级和二级常规处理后，水中仍残留对人体有害的微量有机物，以及稠环芳烃类等有害污染物，必须作进一步的深度(吸附)处理。

活性碳作为一种多孔性吸附材料，用于含染料废水的脱色处理(E.C.Bernardo，R.Egashira，J.Kawasaki，Carbon’96，Newcastle，UK，July 1996，p732)，具有吸附量较大及价格低的优点，而由于活性碳既含有大孔，也含有中孔(过渡孔)和微孔，但仅在微孔上产生吸附，大孔和过渡孔的主要作用是提供吸附质进入吸附部位的通路，因此常常容易产生漏吸，加上活性碳的强度不高，易于粉化，会造成二次污染。

活性碳纤维也是多孔吸附材料，但主要由微孔组成，且微孔分布范围很窄，由此，对吸附质的作用力强，比活性碳具有更大的吸附量和更快的吸附速度，而且对ppm级乃至ppb级的污染物，都能彻底干净地去除(曾汉民，符若文，功能材料，1991，22(6)，321-328)。

本发明的目的是通过有效地控制活性碳纤维的制备工艺，从而控制活性碳纤维的孔结构和表面化学特征，制备出一种能高效、迅速地除去水中的有机染料污染物的活性碳纤维，并将其用于吸附处理含染料废水。

本发明包括活性碳纤维的制备和该活性碳纤维用于吸附处理含染料废水。

活性碳纤维的制备包括原纤维的预处理、碳化、活化过程，具体工艺步骤如下：

(1)原纤维的预处理：原纤维用5％的NaOH溶液浸泡24～48小时，水洗至中性。再用5％～35％磷酸氢二铵溶液浸泡12～48小时，固液比为1∶1。浸泡后取出纤维晾干备用。

为增大活性碳纤维的孔宽，必要时上述纤维还可再用5～80％的磷酸在50～200℃温度下加热浸泡1～9小时。

上述预处理方法适用于剑麻纤维，粘胶纤维等原纤维。如果原纤维为PAN、PVA或沥青等，则可在浸泡处理前先使纤维热稳定化，即在通入空气的情况下，以2-15℃/min的速度加热至190～250℃。

(2)碳化：预处理后的纤维在750～950℃温度下恒温30分钟碳化。必要时冷却后水洗至中性。

若原纤维还经磷酸热煮，则碳化温度可以为350～650℃。

(3)活化：碳纤维于750-950℃温度下用流量为0.5～5g/min的水蒸汽活化0.5～6小时。得到比表面积为1000～3000m²/g，孔分布为0.7nm～2nm的活性碳纤维。

上述方法制备的活性碳纤维用于吸附处理含染料废水时，可采用柱式固定床吸附分离法及槽式吸附分离法两种方法。

柱式固定床吸附分离法即将活性碳纤维装柱，让含染料的废水以合适流速流过吸附柱。废水的过柱流速可根据废水中含染料的种类、浓度、吸附柱的装柱情况、活性碳纤维的吸附容量等具体情况而定，如内径为8mm，长度200mm的吸附柱装入1g切短的剑麻基活性碳纤维，浓度为500mg/l、pH为4.5左右的含亚甲基蓝或铬蓝黑R染料溶液的过柱速度可以控制在2.0～3.0ml/min。

槽式吸附分离法即将一定量活性碳纤维直接投入含染料废水池中，搅拌一定时间。活性碳纤维的比表面积为1000～3000m²/g，活性碳纤维的投入量、吸附时间可根据染料的种类、含量、活性碳纤维的吸附容量等具体情况而定，活性碳纤维的投入量以活性碳纤维对染料的吸附容量为350～600mg/g为参考计算基数，吸附时间可在8～48小时。

本发明的活性碳纤维比表面积大(1000～3000m²/g)，孔径0.7～2nm，孔径分布峰值约1.5nm，适合于吸附分子较大的染料分子以及稠环芳烃、PCBs类分子；活性碳纤维用于吸附处理含染料废水，方法简单易行，只需将活性碳纤维直接投入废水槽中吸附一段时间，或将活性碳纤维简单装柱，让废水流过吸附柱即可。活性碳纤维对染料的吸附容量大、吸附速度快、吸附完全，水中染料的去除率达100％。

图1为活性碳纤维对不同染料的吸附量随活化温度及比表面积的变化曲线，其中曲线1为结晶紫染料、曲线2为亚甲基蓝染料，可见比表面积为1100～1600m²/g的活性碳纤维，对上述两种染料的吸附容量可达500mg/g以上，活性碳纤维的表面结构决定其吸附性能，并随染料分子不同而不同，合适的孔结构能极大地提高对染料的吸附容量，而活性碳纤维的孔结构决定于其制备工艺条件特别是活化温度的控制。