CN110983495B - 一种活性炭纤维扩孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活性炭纤维扩孔方法,所述方法为:将活性炭纤维和镁粉混合后加热进行反应,反应完成后洗涤,得到扩孔活性炭纤维。本发明提供的方法能够实现对活性炭纤维内外孔隙结构的精细控制,显著增加大孔的数量和孔容,且对纤维基本结构和性能影响小,得到的扩孔后的活性炭纤维和扩孔前结构几乎一致。本发明提供的方法还能为活性炭纤维功能化实现提供可靠路径,所得扩孔活性炭纤维可作为吸附剂或催化剂载体广泛的应用于能源、环保领域,具有良好的应用前景。

Description

一种活性炭纤维扩孔方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域,具体涉及炭纤维制备领域,尤其涉及一种活性炭纤维扩孔方法。
背景技术
活性炭纤维具有比表面积大、孔隙多的特点,对有害性气体、液体、有害离子以及固体颗粒等具有强大的吸附去除功能,在能源、环保等众多领域具有广泛的应用。
现有技术中,活性炭纤维制备过程中通常采用水蒸气活化、酸碱活化、致孔剂处理等方式实现纤维内部孔结构的生成和调控。例如CN107973296A中公开了一种大孔径活性炭的制备方法,其将氢氧化物作为扩孔剂溶于乙醇中,经超声处理活性炭后再高温处理制得大孔径活性炭。CN110407210A中公开了一种在活性炭制备过程中通入NH3的方式进行改性,在NH3流量下冷却,通过有机物的挥发等作用实现扩孔处理,可有效改善孔结构,增加介孔数量,提高活性炭吸附容量。
上述扩孔方法虽然都能够实现活性炭或活性炭纤维的扩孔处理,但在孔结构控制方面不是很精细,扩孔比例不理想且扩孔后活性炭纤维的结构会受到一定程度影响。此外,上述工艺普遍比较复杂,安全性不好控制。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种活性炭纤维扩孔方法。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种活性炭纤维扩孔方法,所述方法为:将活性炭纤维和镁粉混合,然后对所得混合物加热进行反应,反应完成后洗涤,得到扩孔活性炭纤维。
本发明通过将活性炭纤维和镁粉混合后在高温下进行反应,反应过程中镁和炭形成化合物,反应完成后经过洗涤将所述化合物去除,即得到了扩孔活性炭纤维。
根据本发明,在所述混合前,还包括对活性炭纤维进行预处理的步骤,所述预处理包括:对所述活性炭纤维进行烘干。
活性炭纤维具有较强的吸湿性,烘干是为了去除活性炭纤维中的水分,避免在高温下金属镁与水发生反应而影响其结构和性能。本发明对所述烘干具体的条件不进行具体限定,只要能实现对活性炭纤维烘干的目的即可。优选地,所述烘干的条件可以为150℃下烘干2小时,该条件下烘干效果更佳,但非仅限于此。
根据本发明,所述反应在金属钽罐中进行。
本发明选择在金属钽罐中进行上述反应,是由于普通的反应容器的材料容易和反应物(镁粉和/或活性炭纤维)进行反应生成杂质,进而对制备结果产生不利影响。在本发明限定的温度范围内,钽金属和上述两种反应物均不发生反应,因此本发明选择钽罐作为反应容器,能够有效避免上述情况,最终制备得到高质量的扩孔活性炭纤维。
值得注意的是,除了钽罐外,其他在本发明限定的温度范围内不和镁粉和/或活性炭纤维反应,且强度足够支持反应进行的容器均适用于本发明。例如钨罐等,但经过大量实验验证,钽罐的反应效果最好,因此其应当作为本发明的最优选。
进一步的,对于本发明而言,所述反应容器可以选用纯钽罐,但成本相对较高。除此之外,也可以选用外层为其他金属或非金属,内层(内胆)具有钽皮的反应容器。综合考虑,所述金属钽罐中钽皮的厚度设定为0.05-0.1mm最佳。
根据本发明,所述反应在保护性气体中进行,目的是避免反应过程中生成杂质。优选地,所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体,所述惰性气体可以为氩气、氦气等,本发明对此不作特殊限定。
根据本发明,所述混合物中镁粉和活性炭纤维的质量比为1:(9-99),例如可以是1:9、1:20、1:50、1:70、1:90或1:99等。
上述镁粉和活性炭纤维的混合比例直接影响最终所得扩孔活性炭纤维中大孔、中孔和微孔的比例以及孔容,应根据实际需求进行具体限定。且二者的比例必须保持在上述范围内,比例过低(镁粉过少)反应不充分致使扩孔效果不明显;比例过高(镁粉过多)时镁与活性炭纤维反应过于激烈,致使纤维中孔结构遭到破坏,影响后续功能材料的负载。
根据本发明,所述反应的温度为700-1200℃,例如可以是700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃等;所述反应的时间为10-120min,例如可以是10min、30min、60min、90min或120min等。
上述反应温度和反应时间是本发明最终得到高质量扩孔活性炭纤维的关键,反应温度过低,金属镁形成的蒸气压力较小,难以充分渗透进纤维孔隙,导致反应不充分;而反应温度过高时,金属镁浓度过高、压力过大,反应时会对孔隙造成破坏;相应的,反应时间过短会使镁与炭反应不充分,导致扩孔效果不理想,反应时间过长则会导致大部分孔结构遭到破坏,大部分形成大孔,活性炭纤维的吸附和负载能力反而下降。
根据本发明,所述洗涤具体包括:将反应完成后得到的产物在去离子水中进行超声清洗。利用去离子水作为洗涤溶剂不会带入新的杂质,而使用超声清洗则能够有效的除去反应物中的杂质而不会破坏扩孔活性炭纤维的内部结构,进而得到高质量的产品。
具体的,所述超声清洗过程超声的功率和时间可根据实际情况进行具体调整,本发明不做特殊限定。
根据本发明,所述洗涤后还包括对产物进行烘干的步骤,目的是除去多余的水分。所述烘干的具体条件可根据实际情况进行设定,只要能达到烘干的目的即可。
作为优选的技术方案,本发明所述活性炭纤维扩孔方法包括以下步骤:
(1)将活性炭纤维进行烘干;
(2)将步骤(1)得到的活性炭纤维和镁粉混合后置于金属钽罐中,然后对所得混合物加热进行反应;
(3)将步骤(2)反应完成得到的产物置于去离子水中超声清洗,清洗完成后烘干,得到扩孔活性炭纤维。
上述方案是本发明的优选方案,利用上述方法制备得到的扩孔活性炭纤维质量更佳。
与现有技术方案相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明能够实现对活性炭纤维内外孔隙结构的精细控制,显著增加大孔的数量和孔容,孔容达到0.5mL/g左右,大孔比例达到30%左右。
(2)本发明提供的方法对纤维基本结构和性能影响小,得到的扩孔后的活性炭纤维和扩孔前结构几乎一致。
(3)经过本发明扩孔处理后的活性炭纤维孔道表面发生细微变化,负载能力更强,为活性炭纤维的功能化实现提供可靠路径;所得扩孔活性炭纤维可作为吸附剂或催化剂载体广泛的应用于能源、环保领域,应用前景良好。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的扩孔活性炭纤维的微观形貌图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,本发明的典型但非限制性的实施例如下:
实施例1
本实施例提供了一种粘胶基活性炭纤维扩孔方法,所述方法包括以下步骤:
(1)选用粘胶基活性炭纤维2g于150℃下烘干2小时;
(2)将烘干后的活性炭纤维置于内胆为金属钽皮的坩埚内,钽皮的厚度为0.05mm,然后加入0.03g镁粉,镁粉与活性炭纤维重量比为3:200,反应温度为850℃,反应气氛为氮气,反应时间为30分钟;
(3)反应完成后,将所得产物于去离子水中超声清洗1小时,然后在120℃下烘干2小时,即得到所述扩孔活性炭纤维。
对本实施例制备得到的扩孔活性炭纤维进行SEM扫描,所得照片如图1所示;由图中可以看出,经过上述方法进行扩孔后,得到的扩孔活性炭纤维较扩孔前孔容明显增大,微孔占比下降,而中孔和大孔比例显著增多,这为后续纳米功能材料的引入和扩大负载量提空了可靠保障。
测试本实施例选用的粘胶基活性炭纤维以及制备得到的扩孔活性炭纤维的孔容和孔径,所得结果如表1所示:
表1
Figure BDA0002322421910000061
由表1中的数据可知,经过扩孔后,粘胶活性炭纤维的孔容扩大了0.92mL/g,大孔比例增加了25.3%,中孔比例增加了3.3%,说明本发明提供的方法能够有效增加活性炭纤维的孔容和大孔比例。
实施例2
本实施例提供了一种聚丙烯腈基活性炭纤维扩孔方法,所述方法包括以下步骤:
(1)选用聚丙烯腈基活性炭纤维2g于120℃下烘干3小时;
(2)将烘干后的活性炭纤维置于内胆为金属钽皮的坩埚内,钽皮的厚度为0.08mm,然后加入0.05g镁粉,镁粉与活性炭纤维重量比为1:40,反应温度为1000℃,反应气氛为氦气,反应时间为1小时;
(3)反应完成后,将所得产物于去离子水中超声清洗1.5小时,然后在120℃下烘干2小时,即得到所述扩孔活性炭纤维。
测试本实施例选用的聚丙烯腈基活性炭纤维以及制备得到的扩孔活性炭纤维的孔容和孔径,所得结果如表2所示:
表2
Figure BDA0002322421910000062
由表2中的数据可知,经过扩孔后,聚丙烯腈基活性炭纤维的孔容扩大了0.165mL/g,大孔比例增加了25.7%,中孔比例增加了2.8%,说明本发明提供的方法能够有效增加活性炭纤维的孔容和大孔比例。
实施例3
本实施例提供了一种沥青基活性炭纤维扩孔方法,所述方法包括以下步骤:
(1)选用沥青基活性炭纤维2g于130℃下烘干2.5小时;
(2)将烘干后的活性炭纤维置于内胆为金属钽皮的坩埚内,钽皮的厚度为0.1mm,然后加入0.1g镁粉,镁粉与活性炭纤维重量比为1:20,反应温度为1200℃,反应气氛为氮气,反应时间为2小时;
(3)反应完成后,将所得产物于去离子水中超声清洗2.5小时,然后于120℃下烘干2小时,即得到所述扩孔活性炭纤维。
测试本实施例选用的沥青基活性炭纤维以及制备得到的扩孔活性炭纤维的孔容和孔径,所得结果如表3所示:
表3
Figure BDA0002322421910000071
由表2中的数据可知,经过扩孔后,沥青基活性炭纤维的孔容扩大了0.141mL/g,大孔比例增加了26.4%,中孔比例增加了3.7%,说明本发明提供的方法能够有效增加活性炭纤维的孔容和大孔比例。
本发明所述的大孔半径大于50nm,中孔的半径为2-50nm,微孔的半径小于2nm。
本发明在具体实施例部分采用比表面积测试法(BET)对活性炭纤维的孔容和孔径进行测试,具体步骤不再赘述。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征,但本发明并不局限于上述详细结构特征,即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种活性炭纤维扩孔方法,其特征在于,所述方法为:将活性炭纤维和镁粉混合,然后对所得混合物加热进行反应,反应完成后洗涤,得到扩孔活性炭纤维;在所述混合前,对活性炭纤维进行预处理,所述预处理包括:对所述活性炭纤维进行烘干;
所述反应在保护性气体中进行,所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体;混合物中镁粉和活性炭纤维的质量比为1:(9-99);所述反应的温度为700-1200℃;所述反应的时间为10-120min;所述洗涤包括:将反应完成后得到的产物在去离子水中进行超声清洗;
对所述洗涤后得到的产物进行烘干。
2.如权利要求1所述的活性炭纤维扩孔方法,其特征在于,所述反应在金属钽罐中进行;所述金属钽罐中钽皮的厚度为0.05-0.1mm。
3.如权利要求1-2任一项所述的活性炭纤维扩孔方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将活性炭纤维进行烘干;
(2)将步骤(1)得到的活性炭纤维和镁粉混合后置于金属钽罐中,然后对所得混合物加热进行反应;
(3)将步骤(2)反应完成得到的产物置于去离子水中超声清洗,清洗完成后烘干,得到扩孔活性炭纤维。
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