纤维素基活性碳纤维的制备和性能研究

论文摘要

活性碳纤维（Activated carbon fiber, ACF）是一类多孔纤维状材料,比表面积高,孔容量大,高长径比,具有极强的表面活性和广谱的吸附性能。已经应用于电池、水处理、溶剂回收、空气净化、除臭氧、除湿等环境和资源回收领域。本文利用化学活化法制备活性碳纳米纤维（Activated carbon nanofiber, ACNF）,通过改变ACNF的制备工艺控制纤维的产率,分析工艺条件对ACNF的结构及性能影响。主要工作包括：1、以纤维素纳米纤维（CelluNF）为前驱体经化学活化制备ACNF。以NH4C1溶液、ZnCl2溶液为活化剂,研究了活化剂种类与ACNF的表面形貌和孔结构及孔径分布的关系,分析了活化盐用量对孔结构及孔径分布的影响。结果表明,浸渍1%NH4C1活化使ACNF能保持最好的表面形貌；可明显提高ACNF的产率；两种活化剂处理均使ACNF具有石墨微晶结构；ACNF的表面孔隙结构丰富,微孔为主,孔径分砸为0.5～1.5nm。2、采用（1）脱水剂聚磷酸铵（APP）处理纤维素纤维,（2）在适当温度下稳定纤维素纤维,以便提高碳纤维的产率。为此,以直径为20μm的棉纤维（MF）为前驱体制备了碳纤维（CFs）。研究了预处理温度（300℃、350℃、400℃）及保持时间（30min、45min、60min、90min、120min）对CFs的形貌及性能的影响；研究了浸渍脱水剂聚磷酸铵（APP）溶液前后对CFs产率的影响；分析了预处理温度、保持时间和APP用量对孔结构及产率的影响。研究表明,浸渍脱水剂APP溶液可明显提高CFs的产率；预处理温度为400℃,保持时间为60min时,CFs的表面孔隙更加丰富,表面形貌更好。3、在第一、二章研究成果的基础上,本章利用第一、二章的研究成果,采用化学活化法制备ACNF。选取NH4Cl为活化剂,控制预处理温度为400℃,保持时间60min,通过二次活化,进一步提高ACNF的比表面积和孔容。分别采用扫描电镜、XRD和氮气吸附-脱附等温线表征ACNF的形貌、微观结构、比表面积、孔容和孔径大小。XRD结果表明ACNF形成了类似石墨结构晶型。经过二次活化后,纤维出现了明显的断裂和粘结现象。主要是由于此过程中产生大量微孔结构使纤维变脆。活化盐的浓度从1%增加到5%时,ACNF的比表面积从5.3×102m2/g增加到1.0×103m2/g,且纤维的孔容也增加。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 中文文摘
• 目录
• 绪论
• 0.1 引言
• 0.2 活性碳纤维的研究进展
• 0.2.1 活性碳纤维
• 0.2.2 活性碳纤维的历史
• 0.2.3 活性碳纤维的制备
• 0.3 活性碳纤维的吸附性能研究
• 0.3.1 活性碳纤维性质对吸附性能的影响
• 0.3.2 活性碳纤维的吸附平衡的测定
• 0.3.3 活性碳纤维吸附剂的再生
• 0.4
• 0.4.2 中孔碳结构的调控
• 0.5 本论文的研究内容
• 0.5.1 研究目的和意义
• 0.5.2 研究内容
• 0.5.3 研究特色
• 第一章 活性碳纳米纤维的制备及性能研究
• 1.1 前言
• 1.2 实验内容
• 1.2.1 试剂和仪器
• 1.2.2 纤维素纳米纤维（CelluNF）的制备
• 1.2.3 活性碳纳米纤维（ACNF）的制备
• 1.2.4 吸附实验
• 1.3 表征
• 1.4 结果与讨论
• 1.4.1 纤维的热重分析
• 1.4.2 纤维素纳米纤维（CelluNF）及活性碳纳米纤维（ACNF）的形貌分析
• 1.4.3 XRD衍射分析
• 1.4.5 活性碳纳米纤维（ACNF）的比表面积及孔径—孔容分析
• 1.4.6 TEM透射观察孔结构
• 1.4.7 吸附性能测试
• 1.5 本章小结
• 第二章 棉纤维基纤维的制备
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.2 CFs的制备
• 2.3 表征方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 纤维素的TG分析
• 2.4.2 MF、CFs的形貌及EDS分析
• 2.4.3 孔径-孔容、比表面积分析
• 2.4.4 EDS分析
• 2.4.5 APP对CFs产率的影响
• 2.4.6 MF及CFs的红外分析
• 2.5 小结
• 第三章 纤维素基活性碳纳米纤维的制备
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 纤维素纳米纤维（CelluNF）的制备
• 3.2.3 活性碳纳米纤维（ACNF）的制备
• 3.2.4 表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纤维素纳米纤维（CelluNF）及活性碳纳米纤维（ACNF）的形貌分析
• 3.3.2 纤维素纳米纤维（CelluNF）及活性碳纳米纤维（ACNF）的XRD分析
• 3.3.3 ACNF的比表面积和孔径一孔容分布
• 3.4 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 个人简历