新型微孔吸附劑-超細(xì)活性碳纖維的制備及其室內(nèi)甲醛吸附行為研究.pdf

1、甲醛，最簡(jiǎn)單的羰基化合物，無(wú)色揮發(fā)性氣體。甲醛可在木制品、油漆、絕緣材料等許多室內(nèi)產(chǎn)品中存在，即使空氣中的體積分?jǐn)?shù)在10-7濃度條件下，甲醛也可導(dǎo)致嘔吐、胸悶、呼吸困難、皮疹和過(guò)敏反應(yīng)等癥狀，并且甲醛也被認(rèn)為是潛在的致癌物質(zhì)。隨著生活設(shè)施的現(xiàn)代化，甲醛由建筑裝修等方式排入室內(nèi)空氣中的情況逐年增加，去除室內(nèi)甲醛成為了廣大居民的強(qiáng)烈愿望，也是許多環(huán)保工作者的重要努力方向之一。
　　 目前可采用的室內(nèi)甲醛控制技術(shù)有吸附法、熱破壞法、吸

2、收法、光催化法、光化學(xué)氧化法等。這其中，吸附法因?yàn)槌杀鞠鄬?duì)較低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用最為廣泛。但普通吸附劑在實(shí)際應(yīng)用中存在吸附效果差，吸附劑飽和需脫附或更新等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)應(yīng)用新型高效甲醛吸附材料，并在工藝上解決吸附劑飽和問(wèn)題成為當(dāng)前室內(nèi)甲醛處理研究的重點(diǎn)。
　　 超細(xì)活性碳纖維(Ultra-FineActivatedCarbonFiber，UFACF)是活性碳纖維的特殊形式。UFACF與普通活性碳纖維的最大區(qū)別在于纖維直徑，

3、其小得多的纖維直徑和纖維間網(wǎng)孔大小使得UFACF具有比表面積大、微孔容積大、吸附速度快等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于一般吸附材料在過(guò)濾和吸附性能上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種具有潛力的甲醛吸附材料。
　　 本課題以混合試劑法聚合制備了不同分子量的聚丙烯腈(PAN)，以PAN為原料，依次采用高壓靜電紡絲技術(shù)、預(yù)氧化、碳化熱處理技術(shù)、水蒸氣活化技術(shù)制備了新型微孔吸附劑-UFACF；并以空氣中甲醛為對(duì)象，研究了UFACF的甲醛吸附性能和吸附行為。由于臭氧低

4、壓汞燈技術(shù)光化學(xué)氧化技術(shù)采用非接觸方式光化學(xué)氧化降解甲醛等氣態(tài)有機(jī)污染物，是一種較好的甲醛處理技術(shù)，課題將UFACF吸附與光化學(xué)氧化技術(shù)結(jié)合，組成吸附-光化學(xué)氧化耦合工藝，考察研究了吸附-光化學(xué)氧化耦合作用下的甲醛處理效果。
　　 本文意在摸索和開(kāi)發(fā)可以用于吸附室內(nèi)甲醛的新型吸附劑UFACF，探索UFACF的制備條件和甲醛吸附應(yīng)用影響因素，為UFACF的產(chǎn)業(yè)化提供數(shù)據(jù)和理論支持。吸附.光化學(xué)氧化耦合工藝的提出和研究可為室內(nèi)甲醛乃

5、至整個(gè)VOCs的處理方法提供新的思路。
　　 本課題主要具體研究?jī)?nèi)容包括：PAN基靜電紡超細(xì)纖維氈的制備；超細(xì)纖維氈的預(yù)氧化、碳化研究；UFACF制備；UFACF甲醛靜態(tài)吸附研究；UFACF甲醛動(dòng)態(tài)吸附行為研究；吸附與光化學(xué)氧化耦合工藝處理甲醛研究等。
　　 在聚丙烯腈基靜電紡超細(xì)纖維氈的制備研究中，采用DMSO/H20混合溶劑法制備了5種不同分子量的PAN，并以PAN為原料，DMF為溶劑，配成紡絲溶液，通過(guò)高壓靜電紡絲

6、技術(shù)制備超細(xì)纖維氈(UFFM)。研究表明：聚合制備PAN，相同單體組成和濃度、相同反應(yīng)條件情況下，隨著混合溶劑中水含量的增加，生成的PAN粘均分子量相應(yīng)增加，其轉(zhuǎn)化率也增加。而且不同分子量PAN的熱重分析顯示，隨著PAN分子量的增加，熱重曲線的劇烈失重區(qū)會(huì)越來(lái)越明顯，而且劇烈失重區(qū)的失重率也呈增加的趨勢(shì)；高壓靜電紡絲研究中發(fā)現(xiàn)，PAN-4和PAN-5紡絲溶液由于分子量過(guò)高而不可紡，其原因是由于PAN-4和PAN-5紡絲液濃度低，紡絲液溶

7、劑不能及時(shí)揮發(fā)，沾有溶劑的纖維在到達(dá)收集屏前并絲造成。另外研究中還發(fā)現(xiàn)：較高的紡絲電壓有利于纖維直徑的減小，但相應(yīng)的紡絲穩(wěn)定性減小，導(dǎo)致纖維直徑分布的離散度增加。
　　 超細(xì)纖維氈的預(yù)氧化、碳化研究中以靜電紡制備的三種超細(xì)纖維氈(UFFM-1、UFFM-2、UFFM-3)為原料制備超細(xì)碳纖維氈，并考察相應(yīng)產(chǎn)品性能，以確定制備UFACF的原料。其中，預(yù)氧化的目的是使線狀PAN結(jié)構(gòu)經(jīng)環(huán)化、脫氫作用轉(zhuǎn)化為耐高溫的梯形結(jié)構(gòu)，以便在高溫碳

8、化過(guò)程中，超細(xì)纖維能保持纖維狀態(tài)。碳化目的是去除預(yù)氧化氈中的非碳元素以生成含碳量高的超細(xì)碳纖維。研究中發(fā)現(xiàn)：UFFM預(yù)氧化熱處理后制備的超細(xì)預(yù)氧化纖維氈是吸水性較好的材料；預(yù)氧化、碳化過(guò)程復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)使得超細(xì)纖維的結(jié)構(gòu)和元素含量發(fā)生巨大變化，相應(yīng)地使得纖維質(zhì)量減小；通過(guò)UFCFM纖維束拉伸性能分析，原料PAN粘均分子量越高，制備出的超細(xì)碳纖維力學(xué)性能越好，由于UFFM-3經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化熱處理后得到的UFCFM-3質(zhì)地柔軟，有更好的機(jī)

9、械強(qiáng)度，可作為制備UFACF的原料。
　　 超細(xì)活性碳纖維的制備研究中，以水蒸氣為活化劑進(jìn)行活化正交實(shí)驗(yàn)，并分別以電加熱和微波加熱兩種加熱方式制備出了兩類(lèi)UFACF(UFACF(D)、UFACF(W)，通過(guò)對(duì)活化收率、比表面積的測(cè)定，分析了兩種加熱方式對(duì)UFACF制備效果的影響。研究中發(fā)現(xiàn)：兩種加熱方式均能制備出高比表面積且孔徑分布集中在微孔的UFACF，其中電加熱法制備的UFACF(D)最大比表面積達(dá)1075.1m2/g，微波

10、加熱法制備的UFACF(W)最大比表面積達(dá)1107.4m2/g；由于UFACF(W)采用微波碳化、微波活化法制備，在制備成本和效率上要優(yōu)于電加熱制備的UFACF(D)。
　　 UFACF甲醛靜態(tài)吸附研究目的主要是比較兩種加熱方法制備出的UFACF甲醛吸附性能的差異。研究在相同濕度條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中不僅對(duì)UFACF(D)-7和UFACF(W)-5兩種吸附劑的甲醛吸附容量進(jìn)行測(cè)定，而且還采用全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀對(duì)兩種UFAC

11、F的微孔孔徑分布進(jìn)行表征。研究中發(fā)現(xiàn):由于有大量極微孔的存在，兩種超細(xì)活性碳纖維均有較好的低濃度甲醛吸附性能，其中，相對(duì)濕度40％條件下，UFACF(D)-7的甲醛平衡吸附量達(dá)0.50mg/g，UFACF(W)-5的甲醛平衡吸附量為0.36mg/g;在比表面積和微孔孔徑分布差不多的情況下，UFACF(D)-7對(duì)甲醛和水蒸氣的吸附性能優(yōu)于UFACF(W)-5，其原因是含氧官能團(tuán)存在于UFACF(D)-7結(jié)構(gòu)中。
　　 UFACF(

12、W)-5甲醛動(dòng)態(tài)吸附行為研究發(fā)現(xiàn):相同初始甲醛濃度和氣體流量條件下，相對(duì)濕度越大，甲醛動(dòng)態(tài)吸附性能越差。其中，相對(duì)濕度70％條件下，UFACF甲醛動(dòng)態(tài)平衡吸附量為0.31mg/g，而相對(duì)濕度30％條件下，UFACF甲醛動(dòng)態(tài)平衡吸附量為0.41mg/g；相同初始甲醛濃度且相對(duì)濕度均50％條件下，氣體流量越大，甲醛有效吸附量和平衡吸附量越小。其中氣體流量為1.0L/min時(shí)，甲醛平衡吸附量?jī)H0.23mg/g，而氣體流量為0.6L/min時(shí)，

13、甲醛平衡吸附量達(dá)0.50mg/g。通過(guò)對(duì)Wheeler-Jonas方程的模擬和預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn):Wheeler-Jonas方程的模擬曲線與實(shí)驗(yàn)值曲線在穿透時(shí)間后和飽和時(shí)間前時(shí)間段內(nèi)相似程度較高，并且，預(yù)測(cè)的平衡時(shí)間和平衡吸附量也與實(shí)驗(yàn)值接近。但穿透時(shí)間、有效吸附量和吸附帶高度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值仍然有一定的差距。
　　 吸附與光化學(xué)氧化耦合工藝處理甲醛研究中發(fā)現(xiàn)：低壓汞燈光化學(xué)氧化作用可以產(chǎn)生羥基自由基，吸附-光化學(xué)氧化耦合工藝去除甲醛效

14、果要優(yōu)于單一吸附工藝或單一光化學(xué)氧化工藝。如：相對(duì)濕度50％條件下，90min時(shí)，單一光化學(xué)氧化工藝、單一吸附工藝和吸附-光化學(xué)氧化耦合工藝的甲醛去除率分別為68.8％、37.0％和95.2％；而且相對(duì)濕度對(duì)于吸附-光化學(xué)氧化耦合工藝去除甲醛有重要影響；吸附與光化學(xué)氧化耦合工藝既可減弱光化學(xué)氧化作用二次污染問(wèn)題又可解決吸附劑飽和問(wèn)題，是一種新型室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的改善有應(yīng)用價(jià)值。
　　 本課題研究的創(chuàng)新性成果有:<

15、br>　　 (1)由sciencedirect文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，UFACF的制備是一個(gè)較新的研究方向，而將UFACF應(yīng)用到甲醛吸附領(lǐng)域則鮮有報(bào)道，本課題的研究有一定領(lǐng)先性。
　　 (2)超細(xì)碳纖維氈制備研究中，就PAN聚合物分子量大小對(duì)UFCFM產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行了探討，結(jié)論可為UFCFM或碳纖維制備產(chǎn)品機(jī)械性能的改善提供參考。
　　 (3)微波加熱進(jìn)行碳化和活化研究制備UFACF，此類(lèi)研究較少見(jiàn)諸報(bào)道，研究結(jié)論對(duì)碳吸附材

16、料活化工藝加熱方式的選擇有重要價(jià)值。
　　 (4)在Wheeler-Jonas方程對(duì)動(dòng)態(tài)甲醛吸附行為的模擬和預(yù)測(cè)研究中發(fā)現(xiàn):模擬預(yù)測(cè)出的穿透時(shí)間、有效吸附量和吸附帶高度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值有一定的差距，這說(shuō)明Wheeler-Jonas方程對(duì)UFACF氣體動(dòng)態(tài)吸附行為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有局限性。UFACF動(dòng)態(tài)吸附行為的研究可為UFACF實(shí)際應(yīng)用中工作參數(shù)的確定提供參考。
　　 (5)課題以“吸附與光化學(xué)氧化耦合工藝”處理甲醛，提出了吸