CN1295175C - 含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维及其制备和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维及其制备方法和用途。该活性炭纤维由玻璃纤维和包覆玻璃纤维的外层的炭层构成，炭层中含有纳米金属氧化物微粒；炭层由聚丙烯腈或聚乙烯醇混合醋酸镁、或醋酸锌的混合物经高温碳化活化而成。将玻璃纤维浸渍于含有由聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸镁、或醋酸锌的混合物组成的溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后经450～850℃高温碳化及水蒸汽活化30～120分钟，得到含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维。该含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维用于吸附富集二氧化碳，其对二氧化碳的吸附容量可达18wt%。本发明对于二氧化碳的富集，控制温室效应；特别是用于小空间中二氧化碳的净化，具有重要的社会意义和经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维及其制备方法和该含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维用于吸附富集二氧化碳的用途。
背景技术
工业革命以来，大气中CO2的浓度一直攀升。由于这种人为的气体在大气层的累积，可能导致了全球性的变暖。目前大气中CO2的浓度约为350ppm。因此，必须开发有效的技术以控制温室气体的排放。而对CO2高选择性和高吸附容量的吸附剂的开发，无疑是这类技术的关键。
目前用于二氧化碳吸附分离的方法主要包括基于溶解或中和反应的吸收法、高比表面积固体吸附剂的吸附法、低温蒸馏法、和膜分离法等。后两种方法主要用于从混合气体中将CO2分离开来。常用的CO2的吸附材料如沸石、活性炭等在低温下对二氧化碳具有较高的吸附容量；但当有其它气体存在时，它们对二氧化碳的选择性则比较差，并且，当温度高于30℃时，其对二氧化碳的吸附容量便急剧下降，200℃时对二氧化碳的吸附量几乎可以忽略不计。溶剂吸收法对二氧化碳显示出高的选择性吸收。但这类方法由于在液相中进行，溶剂的腐蚀性大，因而对反应塔的要求高、再生费用大，且容易发生吸收液的流失，不但增加费用，也带来环境污染问题。
开发高吸附容量和高选择性的固相吸附材料，不但在富集回收二氧化碳以减少温室效应方面，具有重要的经济和社会价值，而且，可用于载人航天飞机或潜艇中CO2的消除和再生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维及其制备方法和该含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维用于吸附富集二氧化碳的用途。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维由玻璃纤维和包覆在玻璃纤维外层的活性炭层构成，且活性炭层中含有5wt％～50wt％的纳米金属氧化物微粒。纳米金属氧化物微粒为锌、银、钙、镁、及锂等的氧化物。
所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维的炭层由聚丙烯腈或聚乙烯醇混合醋酸镁或醋酸锌的混合物经高温碳化活化而成。
所述的玻璃纤维为玻璃纤维丝或玻璃纤维布。
所述的玻璃纤维丝的直径为1μm～50μm。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维的通过如下方法制备：将聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸镁或醋酸锌的混合配成溶液，然后将玻璃纤维浸渍于含有由聚丙烯腈或聚乙烯醇和醋酸镁或醋酸锌的混合物组成的溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后将上述纤维加热至450～850℃温度下碳化，并同时通入水蒸汽活化0.5～6小时，水蒸汽的流量为0.5～5g/min。得到中孔与微孔的比率约为1∶1，且富含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维用于吸附富集二氧化碳。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维用于吸附富集二氧化碳时，只要将其与含二氧化碳的气体接触即可。通常是将含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维与含二氧化碳气体在50％以上的湿度下接触0.1～2小时。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维对二氧化碳的吸附容量可达180mg CO2/g炭。
本发明的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维对二氧化碳的吸附容量的测定，是在动态条件下进行的。使一定湿度的二氧化碳气体通过活性炭纤维，根据恒定温度下，活性炭纤维的增重率，评价活性炭纤维对二氧化碳的吸附能力(容量)。
本发明通过将金属氧化物微粒嵌入到活性炭层中，从而吸取了活性炭纤维的多孔性和金属氧化物对二氧化碳吸附高选择性的优点，制得含丰富纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维。该含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维是一种对二氧化碳有高选择性、高吸附容量的吸附材料，可用于吸附富集二氧化碳，尤其适用于小空间中二氧化碳的吸附和去除。
附图说明
图1为含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维表面镁氧化物纳米颗粒分布图。
图2为含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维表面锌氧化物纳米颗粒分布图。
图1中，镁氧化物为纳米尺寸片状颗粒，片状颗粒的直径约为500nm，厚度仅为10nm以内。
图2中，锌氧化物为纳米尺寸的锌氧化物颗粒。颗粒的粒径约为100nm左右。
具体实施方式
实施例1
将聚丙烯腈高分子粉料与醋酸镁按1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中，取出玻璃纤维布，于140℃下干燥30min，得到涂布含镁有机物涂层的纤维。将该纤维在氮气保护下，于600℃下碳化，并通入水蒸气活化3小时，水蒸汽流量2g/min，得含镁活性炭纤维。产品得率为55％。产品经扫描电镜分析，其表面碳层镶嵌密集的片状镁氧化物，片状物粒径500nm左右，厚度5～8nm左右。该颗粒物经X—射线衍射分析，证明为镁的氧化物。产品中金属氧化物的含量35％。
实施例2
将聚丙烯腈高分子粉料与醋酸镁按1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中，取出玻璃纤维布，于140℃下干燥30min，涂布含镁有机物涂层纤维。将该纤维在氮气保护下，于800℃下碳化2小时，同时通入水蒸气活化，水蒸汽流量3g/min，得含镁活性炭纤维。产品经扫描电镜分析，其表面碳层镶嵌密集的片状镁氧化物，片状物粒径500nm左右，厚度5～8nm左右。产品中金属氧化物的含量25％。含镁活性炭纤维的孔结构分析表明，该含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维的中孔比表面积占总比表面积的50％左右。
实施例3
将聚乙烯醇高分子粉料与醋酸镁按1∶3重量比混合，配成10wt％溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中，取出玻璃纤维布，于140℃下干燥30min，涂布含镁有机物涂层纤维。将该纤维在氮气保护下，于450℃下碳化5小时，同时通入水蒸气活化，得含镁活性炭纤维。产品经扫描电镜分析，其表面碳层镶嵌密集的片状纳米尺寸镁氧化物。活性炭纤维中碳层的重量约占活性炭纤维总重量的15％左右。金属氧化物的重量约占活性炭纤维总重量的5％左右。含镁活性炭纤维的孔结构分析表明，该活性炭纤维的中孔比表面积占总比表面积的50％左右。
实施例4
将聚丙烯腈高分子粉料与醋酸镁、醋酸锌按1∶1∶1重量比混合，配成5wt％稀酸溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中，取出玻璃纤维布，于140℃下干燥30min，涂布含镁有机物涂层纤维。将该纤维在氮气保护下，于500℃下碳化1小时，得含镁和锌的活性炭纤维。产品经扫描电镜分析，其表面碳层镶嵌密集的片状镁氧化物和柱状的锌氧化物，颗粒物的尺寸都在几百纳米左右。
实施例5
将聚丙烯腈高分子粉料与醋酸银1∶1重量比混合，配成5wt％稀硝酸溶液，然后将玻璃纤维布浸泡于该溶液中，取出玻璃纤维布，于140℃下干燥30min，涂布含镁有机物涂层纤维。将该纤维在氮气保护下，于750℃下碳化1小时，得含银的活性炭纤维。产品经扫描电镜分析，其表面碳层镶嵌密集的银颗粒，颗粒物的尺寸都在几十至几百纳米左右。
实施例6
将含镁活性炭纤维在室温、相对湿度75％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在该条件下通入二氧化碳，使活性炭纤维吸附二氧化碳至平衡，测得该含镁活性炭纤维的CO2吸附量为100mg CO2/g炭。
实施例7
将含镁活性炭纤维及含镁和锌的活性炭纤维分别在室温、相对湿度70％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在该条件下通入二氧化碳，使活性炭纤维吸附二氧化碳至平衡，测得该含镁活性炭纤维的CO2吸附量为95mg CO2/g炭，而含镁和锌的活性炭纤维的CO2吸附量为180mg CO2/g炭。
实施例8
将纯的活性炭纤维及含纳米锌颗粒的活性炭纤维分别在室温、相对湿度68％下，吸附水蒸汽至平衡。然后，在该条件下通入二氧化碳，使活性炭纤维吸附二氧化碳至平衡，测得该纯的活性炭纤维的CO2吸附量为10mg CO2/g炭，而含纳米锌颗粒的活性炭纤维的CO2吸附量为80mg CO2/g炭。
Claims (8)
1.一种含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维，其特征是该活性炭纤维由玻璃纤维和包覆在玻璃纤维外层的活性炭层构成，且活性炭层中含有5wt％～50wt％的纳米金属氧化物微粒，其中纳米金属氧化物微粒选自锌、银、钙、镁或锂的氧化物。
2.一种如权利要求1所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维，其特征是所述的炭层由聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种混合醋酸镁、醋酸锌中的一种或两种经高温碳化活化而成。
3.一种如权利要求1或2所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维，其特征是所述的玻璃纤维为玻璃纤维丝或玻璃纤维布。
4.一种如权利要求3所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维，其特征是所述的玻璃纤维丝的直径为1μm～50μm。
5.如权利要求1所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维的制备方法，其特征是将聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种和醋酸镁、醋酸锌中的一种或两种混合配成溶液，然后将玻璃纤维浸渍于含有由聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种和醋酸镁、醋酸锌中的一种或两种混合物组成的溶液中，使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后将上述纤维加热至450～850℃温度下碳化，并同时通入水蒸汽活化0.5～6小时，水蒸汽的流量为0.5～5g/min，得到中孔与微孔的比率达1∶1，且富含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维。
6.如权利要求1所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维的应用，其特征是用于吸附富集二氧化碳。
7.按照权利要求6所述的应用，其特征是将所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维与含二氧化碳的气体接触0.1～2.0小时。
8.按照权利要求6所述的应用，其特征是将所述的含纳米金属氧化物微粒的活性炭纤维与含二氧化碳的气体在50％以上的湿度下接触0.1～2小时。
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