三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架及其制備方法，屬于活性炭材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]活性炭是一種多孔性物質(zhì)，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，耐酸堿、耐熱、不溶于水和有機(jī)溶劑，是一種環(huán)境友好型吸附材料和催化劑載體，廣泛用于化工、環(huán)保、食品加工、冶金、軍事化學(xué)防護(hù)等領(lǐng)域?；钚蕴慨a(chǎn)品形態(tài)主要有粉狀、顆粒狀和柱狀，一般為一維或二維結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)加工難度大，加工成本高，難以滿足市場(chǎng)應(yīng)用的需要。
[0003]三維結(jié)構(gòu)的活性炭包括活性炭纖維氈和活性炭編制體，CN102641522A公開(kāi)了 “三維梯度網(wǎng)狀碳纖維/HA/麥飯石醫(yī)用復(fù)合材料的制備方法”，該發(fā)明專利把碳纖維編織成三維梯度網(wǎng)狀碳纖維骨架。炭纖維編織體生產(chǎn)效率低，纖維之間的連接點(diǎn)不是固定連接，整體性差。
[0004]活性炭纖維制品加工路線主要包括:利用人造纖維，經(jīng)炭化與活化后，制成活性炭纖維氈、布等不同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，這類制品生產(chǎn)成本高，難以制成機(jī)械強(qiáng)度高、大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制品；其次是將活性炭粉負(fù)載在纖維介質(zhì)上，制成不同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的活性炭纖維制品，這類制品存在微孔堵塞的問(wèn)題，整體性差，存在脫炭和不能清洗等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、整體性好的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架及其制備方法，克服現(xiàn)有一維、二維和三維結(jié)構(gòu)的活性炭纖維制品存在的上述技術(shù)不足。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，該骨架包括負(fù)載或不負(fù)載觸媒的以木質(zhì)纖維為碳源的木質(zhì)活性炭纖維和負(fù)載或不負(fù)載觸媒的以聚合物粘結(jié)劑為碳源的聚合物粘結(jié)劑活性炭，聚合物粘結(jié)劑活性炭附著在木質(zhì)活性炭纖維表面，活性炭纖維之間的連接部是由所述聚合物粘結(jié)劑活性碳固定連接的，活性炭纖維呈三維多向分布，相互交織、交叉連接成為一個(gè)整體。
[0007]前述的活性炭纖維包括以下一種或兩種連接方式:
(1)木質(zhì)活性炭纖維以搭接的方式連接，木質(zhì)活性炭纖維連接部相互接觸；
(2)木質(zhì)活性炭纖維以搭橋的方式連接，木質(zhì)活性炭纖維呈空間相交，互不接觸。
[0008]本發(fā)明的一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架制備方法，包括以下步驟:
(1)三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的非織物預(yù)制體制作
采用負(fù)載或不負(fù)載活化劑、活化催化劑的聚合物粘結(jié)劑，將負(fù)載或不負(fù)載活化劑、活化催化劑的木質(zhì)纖維進(jìn)行粘結(jié)，得到由聚合物粘結(jié)劑粘結(jié)成一體的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的非織物預(yù)制體，所述木質(zhì)纖維呈三維多向分布，相互交織、交叉連接；
(2)碳化和活化處理將所述非織物預(yù)制體進(jìn)行碳化和活化處理，得到負(fù)載或不負(fù)載觸媒的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架。
[0009]前述的木質(zhì)纖維包括棕櫚類纖維或麻類纖維中的一種以及兩種以上的纖維混合物。
[0010]前述的木質(zhì)活性炭纖維長(zhǎng)徑比為10?500。
[0011]前述的聚合物粘結(jié)劑包括天然植物淀粉或樹(shù)脂或橡膠或塑料或?yàn)r青或煤焦油。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)比較
本發(fā)明提供的一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整體性好、空隙率大、流體透過(guò)性好、不易堵塞、不結(jié)團(tuán)、能清洗、不落炭、易做成復(fù)雜結(jié)構(gòu)大尺寸制品，主要用于空氣凈化、污水處理、水生態(tài)修復(fù)和催化載體等領(lǐng)域。
[0013]本發(fā)明提供的一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架制備方法，與現(xiàn)有人造纖維活性炭相比，原料來(lái)源廣，屬于可再生資源，不用人工紡絲，工藝控制簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，與在纖維介質(zhì)上負(fù)載活性炭粉制品相比，不用載體，制品活性炭含量高。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過(guò)具體的實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0015]本發(fā)明提供了一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，該骨架以木質(zhì)纖維和聚合物粘結(jié)劑為碳源，包括由負(fù)載或不負(fù)載活化劑、觸媒的木質(zhì)活性炭纖維與負(fù)載或不負(fù)載活化劑、催化劑的聚合物粘結(jié)劑活性炭固定連接成一體的負(fù)載或不負(fù)載催化劑的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架。
[0016]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，是指含碳量大于50%、BET比表面積大于120m2/g、體積密度為0.lg/cm3?0.5g/cm 3的活性炭纖維骨架。
[0017]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，前述的木質(zhì)活性炭纖維與聚合物粘結(jié)劑活性炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1: (3?0.1)。
[0018]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架，前述的木質(zhì)纖維碳源包括山棕絲、油棕絲、椰棕絲、劍麻絲、黃麻絲、木材纖維絲、竹材纖維絲的中的一種及兩種以上的混合物。
[0019]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架，前述的山棕絲、油棕絲、椰棕絲、劍麻絲和黃麻絲，分別是從山棕葉、油棕果、椰果、劍麻葉和黃麻韌皮中分離出來(lái)的木質(zhì)纖維束。
[0020]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架，前述的聚合物粘結(jié)劑碳源包括天然植物淀粉、樹(shù)脂、橡膠、塑料、瀝青和煤焦油。
[0021]一般地，聚合物粘結(jié)劑為液態(tài)，本發(fā)明的選用的聚合物粘結(jié)劑還包括在高溫下能夠融化成液體的固體粘結(jié)劑，例如，瀝青顆粒、發(fā)泡塑料顆粒和聚合物紡絲纖維等。
[0022]一般地，采用液態(tài)聚合物粘結(jié)劑，本發(fā)明的活性炭纖維骨架將以搭接的方式連接。
[0023]一般地，采用固體聚合物粘結(jié)劑，本發(fā)明的活性炭纖維骨架將以搭橋的方式連接。
[0024]本發(fā)明提供了一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架制備方法，包括以下步驟: 首先，采用負(fù)載或不負(fù)載活化劑、活化催化劑的聚合物粘結(jié)劑，將負(fù)載或不負(fù)載活化劑、活化催化劑的木質(zhì)纖維進(jìn)行粘結(jié)，得到由聚合物粘結(jié)劑粘結(jié)成一體的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的非織物預(yù)制體，木質(zhì)纖維呈三維多向分布，相互交織、交叉連接。
[0025]然后，將所述非織物預(yù)制體進(jìn)行碳化和活化處理，得到負(fù)載或不負(fù)載觸媒的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的活性炭纖維骨架。
[0026]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架制備方法，前述三維空間網(wǎng)狀非織物預(yù)制體中的纖維與纖維之間的粘接，主要是由空間相交的纖維在相交處聚集的粘接劑連接的。
[0027]本發(fā)明的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維骨架制備方法，在一些實(shí)施例中，包括木質(zhì)纖維原料和聚合物粘結(jié)劑原料的預(yù)處理，其中，木質(zhì)纖維預(yù)處理包括短截、除雜和活化劑的混合等。
[0028]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的木質(zhì)纖維原料需要對(duì)含水率，使得纖維具有一定的卷曲度。
[0029]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的木質(zhì)纖維原料需要進(jìn)行梳理短截纖維長(zhǎng)度，一般地，纖維長(zhǎng)度為1mm?350mm，直徑為0.1mm?0.6mm。原則上來(lái)說(shuō)，木質(zhì)纖維的長(zhǎng)度越短、直徑越小，空間網(wǎng)狀活性炭纖維骨架的均一性和體積密度越高。
[0030]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的木質(zhì)纖維原料需要進(jìn)行除雜處理，降低原料中S1、Al、Ca、Mg等雜質(zhì)，提尚活性炭的性能。
[0031 ] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的活化劑的混合主要采取浸漬法，把ZnCl2等活化劑滲透到木質(zhì)纖維的內(nèi)部，一般地，浸漬時(shí)間為2?24小時(shí)，溶液溫度20°C?80°C。
[0032]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的聚合物粘結(jié)劑需要對(duì)粘結(jié)劑的黏度、負(fù)載觸媒等方面進(jìn)行改性。
[0033]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的一種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭纖維非織物預(yù)制體需要進(jìn)行定型或密度調(diào)控，優(yōu)選地，先制成平板狀，再在模壓狀態(tài)下熱壓定型并調(diào)節(jié)密度。
[0034]前述活化方法包括物理活化法、化學(xué)活化法和化學(xué)物理活化法。
[0035]在一些實(shí)施例中，活化劑包括KOH、ZnCl2, H3PO4, H2O和C02。
[0036]在一些實(shí)施例中，催化劑包括NH4H2P04、(NH4) 2S04。