1序言通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖依生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。一般而言，材料可分为“传统材料”和“新材料”两大类，新材料是指那些新近开发或正在开发的、具有优异性能的材料，新材料对篼科技和技术具有非常关键的作用。

　　作为一种传统材料，活性炭由微晶炭和无定形炭构成，是一种黑色多孔性固体。活性炭具有独特的空隙结构和表面活性官能团，具有足够的化学稳定性、机械强度及耐酸、耐碱、耐热等性能，不溶于水和有机溶剂，使用失效后容易再生，因此广泛应用于各个行业。随着经济的飞速发展，环保要求的严格，人们生活水平的提高，活性炭的需求量日益增加。与此同时，开发了许多新型活性炭，其中一种很具发展前景的是活性炭纤维。活性炭纤维是在炭纤维工业基础上发展起来的，是继粉状活性炭、粒状活性炭之后的第三代高新材料活性炭。它具有内外表面积大，吸附快的优点，又具有使用方便，容易再生等特点。同时又具有纤维的各种特性，可以纺织成纱、线、布、毡等形式。由于活性炭纤维的含碳量篼，比表面积大，具有高导电性，可用于制造电器元件。由于杂质含量低，可用于食品工业。由丁吸附速度快，吸附容量高，可用于有机电解质电极、分解臭氧用的口罩和过滤器、除去放射性气体的吸附材料、制造国防用的防毒面具和防毒服、也可用于医疗卫生及溶剂回收等其它环保行业。

　　2活性炭纤维的发展过程在活性炭的发展历史中，从*初的粉状活性炭到后来的各种形状的颗粒活性炭，使活性炭的应用更广泛，更便捷，再生更容易。但是，活性炭在吸附能力、吸附速度仍有许多不足之处，另外，在工程中传统的活性炭在吸附层中出现松动和沟槽，有时出现吸附层过分密实，导致流体阻力增大，从而影响正常操作。为了提高吸附效果，在20世纪60年代初期，人们开始探索用有机纤维为原料制备活性炭纤维，在高性能炭纤维研究的基础上，这种新型的炭吸附材料得以问世。它与传统的活性炭相比，具有独特的微孔结构，并兼具有纤维的各种特性，给工程应用和工艺设备的优化创造了条件。活性炭纤维的优异性能和广泛的应用前景，促使活性炭纤维的研究、开发和应用取得了飞速的发展。到目前为止，除了粘胶基、酚醛纤维及其前躯体的研究。

　　基、聚丙烯腈基和沥青基活性炭纤维外，还有采用其它原料制成的活性炭纤维，如聚偏二氯乙烯、聚乙烯空心纤维、聚酰亚胺纤维、PBO纤维、聚苯乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、木质素纤维以及一些天然纤维原料。

　　我国一些高校和科研机构从20世纪70年代开始也开展了有关活性炭纤维的研制和开发，研制产品的原料有各种粘胶基纤维、聚丙烯腈基纤维和沥青纤维。产品的形状除了活性炭纤维，还有活性炭布、活性炭毡等。在应用方面也开展了广泛的研究。但总的来说，国内活性炭纤维仍处于研究，开发和试用阶段，工业化程度很低，应用开发不够，尚未形成独立的工业体系。

　　3活性炭纤维的生产原理活性炭纤维以原料来分，主要有四类：粘胶基活性炭纤维、酚醛树脂基活性炭纤维、聚丙烯腈基活性炭纤维和沥青基活性炭纤维。所用的生产工艺流程都要经过预处理、炭化和活化三个阶段。

　　不同原料有不同的预处理目的，如聚丙烯腈纤维和沥青纤维，为了使它们在炭化过程中不熔融变形，保持纤维形状，可以采取氧化处理，使聚丙烯腈和沥青分子形成梯形高聚物，使原料纤维的热稳定性提高。而粘胶纤维预处理的目的是提高原料纤维的热氧化稳定性和控制活化反应特性，以达到改善活性炭纤维的结构、性能和提高产品的产率。所以采用无机盐溶液浸渍的方法，常用的浸渍剂为磷系或氯系化合物溶液，如磷酸、偏磷酸、焦磷酸及氯化锌等。

　　炭化是生产活性炭纤维的重要环节。用热分解反应排除原料纤维中可挥发的非碳组分，富集碳元素。用热缩聚反应使富集的碳原子重新排列成石墨微晶结构，*终形成炭纤维。炭化过程对后继的活化反应有明显的影响，从而直接影响到产品的产率和性能。炭化过程的主要影响因素有。炭化温度、升温速率、炭化时间、炭化气氛和纤维张力的控制等。

　　活化反应是活性炭纤维形成发达的微孔结构和比表面积的重要工艺过程。在活化过程中，活性炭纤维的表面还生成许多含氧活性官能团。

　　活化条件和程度关系到产品的产率和产品的结构与性能。影响活化过程的主要因素有：活化剂的种类、活化温度、活化时间、活化剂浓度、前驱体以及预氧化程度等。常用活化剂有水蒸气和二氧化碳，工业上用得*多的是水蒸气，因为水蒸气的活化能力比二氧化碳强，活化速度快。

　　二氧化碳活化时，虽然反应速度慢，但活化均匀。所以，有时利用两种气体的混合气体。根据工艺要求可以调节两者的比例。提高活化温度，增加活化剂浓度，延长活化时间，可以加深活化的深度，使活性炭纤维孔隙结构更发达、比表面积更大，吸附量更高，但是，往往使产品的产率下降、强度降低。

　　不同原料的活性炭纤维因原料的组成、性质不同，相应的生产工艺过程不同，*终产品的性能也不同。

　　3.1聚丙烯腈基活性炭纤维的制备工艺（含碳67.9%）。是*早用于炭纤维制造的聚合物，它有高度的分子取向，较高的熔点，炭化收率比粘胶纤维高。

　　聚丙烯腈纤维首先要经过预处理，通常是在200~300t条件下于空气中预氧化，通过环化、脱氢反应生成耐热结构，使它高温炭化、活化处理时仍保持纤维形态。低温预氧化过程中，氧的结合量对*终活性炭纤维的性能有较大影响。所以，控制预氧化过程的氧结合量是非常重要的。

　　预氧化后的聚丙烯腈纤维在惰性气氛中炭化时，非碳元素从环化稳定化的大分子中裂解出来，以挥发物H20、HCN、NH3、C02、C0、N2等形式除去，从而形成六角形的大分子类石墨层面结构，并且堆叠成碳的微晶结构。预氧化程度可以影响活性炭纤维的吸附性能及其它物性。聚丙烯腈基活性炭纤维常常用水蒸气或二氧化碳作为活化剂。聚丙烯腈炭纤维在氧化性气体作用下，不仅可以使高聚物炭微晶结构中的晶棱被氧化刻蚀，形成各种含氧官能团，而且氧化活化过程也是一个造孔的过程，使炭纤维形成一个多孔的结构，具有很大的比表面积，从而赋予炭纤维具有很强的吸附能力。聚丙烯腈纤维含有大量N，经过炭化、活化后，有一部分仍保留在活性炭纤维中，这是聚丙烯腈基活性炭纤维不同于其它原料的*大特点，它对含S、N的化合物具有特殊的吸附性能。用水蒸气活化时比用C02活化时容易获得较大的比表面积，因为水蒸气比C02的氧化能力强。活性炭纤维的比表面积随活化温度升高、活化时间的延长而增大。由于炭纤维与水蒸气、《）2等活化作用是吸热反应，所以，提高活化温度有利于碳转化率的提高和反应速度的加快，从而导致活性炭纤维的比表面积增大。

　　聚丙烯腈基活性炭纤维的*大缺点是不能得到很高的比表面积，生产成本也较高。为了克服这些缺点，国内外开发了不少新的技术措施。如改变前驱体的一次结构，选择聚丙烯腈的共聚或共混组分、聚合方法，控制其分子量，改变纺丝参数，从而控制所得聚丙烯腈的孔隙结构，提高活化收率。还可采用接枝共聚的方法制成粘胶纤维接枝共聚丙烯腈，这种前驱体既保持了聚丙烯腈基活性炭纤维含N的特点，又发挥了粘胶基活性炭纤维比表面积大的优点。为了提高聚丙烯腈基活性炭纤维的吸附特性，可采用Al+3、Fe+3处理前驱体，能有效地防止预氧化时的粘连，加快预氧化时的速率，并且所得的活性炭纤维的强度和吸附性能都有所提高。

　　3.2沥青基活性炭纤维93.1%）。因为沥青来源丰富，价格低廉，炭化收率高，作为原料，可以降低活性炭纤维的价格。*常用的沥青有石油沥青、煤沥青。为了使沥青基活性炭纤维生成大量开口的孔隙，选择好沥青原料、沥青的精制、预处理工艺、炭化及活化条件都是十分重要的，也是目前研究的重点之一。如选择难石墨化的沥青，在热处理时生成无定形的难石墨化炭，使微晶间高度交联，排列紊乱，阻碍其有序化结构的形成，从而在微晶间形成大量微孔。活化时，这些微晶边缘和周围不饱和碳原子容易与活化气体反应，使细孔结构得到进一步发展，*终得到性能较好的活性炭纤维。

　　研究表明：随着活化温度的升高、活化时间延长、活化剂浓度增加，沥青基活性炭纤维的收率降低，而比表面积线性增加，产品的吸附值也相应增加。

　　3.3酣醛基活性炭纤维1969年美国研制出酚醛纤维，其化学式为（0631155011）11，（含碳76.6%）它具有三维交联的网状结构，不宜制备高强度的炭纤维，但所制得的活性炭纤维的收率高，比表面积大，吸附性能好。另外，由于酚醛树脂具有苯环结构，自身耐热性好，加热不熔融，所以在制备活性炭纤维时不需要预氧化处理，从而简化了工艺。活化可用水蒸气或二氧化碳，产品的吸附特性与比表面积随活化温度提高而明显增加，但是，活化温度的提高，将会导致活性炭纤维收率的下降。

　　4活性炭纤维的结构和性能4.1结构特征活性炭纤维是一种典型的微孔炭，被认为是~30.孔隙直接开口于纤维的表面，超微粒子以各种方式结合在一起，形成丰富的纳米空间，形成的这些空间的大小与超微粒子处于同一个数量级，从而造就了较大的比表面积。其含有的许多不规则结构杂环结构或含有表面官能团的微结构，具有极大的表面能，也造就了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供了一个吸附态分子物理和化学变化的高压体系。使得吸附质到达吸附位的扩散路径比活性炭短、驱动力大且孔径分布集中，这是造成活性炭纤维比粒状活性炭比表面积大、吸脱附速率快、吸附效率高的主要原因。另外，活性炭纤维表面含有一系列活性官能团，主要是含氧官能团，如羟基、羰基、羧基等。有的活性炭纤维还含有胺基、亚胺基以及磺酸基等官能团。所以，活性炭纤维还具有独特的吸附选择特性。

　　4.2性能特征4.2.1活性炭纤维的吸附特性与一般活性炭相比活性炭纤维有许多优异的吸附特性，这是由活性炭纤维的组成、结构所决定的。

　　吸附容量大。活性炭纤维对有机化合物蒸汽有较大的吸附量，如对正丁基硫醇等恶臭物质的吸附量比粒状活性炭大几倍、甚至几十倍。对无机气体如NOx、S2、H2S、NH3、COx、HF、SiF4等有很好的吸附能力。对水溶液中的无机化合物、染料、苯酸等有机化合物及贵重金属离子的吸附量比粒状活性炭高5倍左右。对微生物及细菌也有良好的吸附能力，例如对大肠杆菌的吸附率可达94%吸附速度快。对气体的吸附一般能在数十秒或几分钟内达到吸附平衡，对液体的吸附也仅需几十分钟达到平衡。同样，由于纤维较细，外表面容易被加热，所以脱附的速度也很快。脱附时，用N2作脱附载体在150T进行约3min就完全脱附，而粒状活性炭只有稍微脱附。

　　吸附灵敏度高。就是对低浓度吸附质的吸附能力特别优良，在表面吸附中，孔径越小，其吸附力场越大。由于活性炭纤维中占总体积的90%是微孔，所以，活性炭纤维对低浓度吸附质，即使对1CT6数量级吸附质仍有很高的吸附量。

　　吸附层薄。采用活性炭纤维吸附层厚度可以比粒状活性炭薄。

　　4.2.2活性炭纤维的电性能活性炭纤维同炭纤维一样具有优良的导电性能。在蓄氢电池中，作为二次电极。在双层电容器中也得到了应用。

　　4.2.3活性炭纤维的氧化还原性能活性炭纤维的氧化还原功能是活性炭纤维的重要特性之一，这一特性在其从溶液中吸附金属离子时表现*明显。活性炭纤维不仅可以作为还原剂，也可成为氧化剂，这取决于所用体系的电位高低。X-射线衍射和XPS研究的结果表明，活性炭纤维能将一些电极电位较高的离子还原为零价或**金属。例如将水溶液中Au +2或Pt、Hg+1、Fe+2，在大多数情况下，氧化还原促进吸附量大大提高。利用活性炭纤维的氧化还原特性，可用于微量Au+3等贵金属的富集和分析，贵金属的回收和冶炼，治理高价有毒有害废水，循环水处理，制备载体催化剂，制造电容电池的电极，制造纳米金属等。

　　4.2.4活性炭纤维的催化特性活性炭纤维具有气相氧化和催化还原的性能。通过用112304活化活性炭纤维，使其表面具有催化作用，可以在NH3存在下把NO还原成N2.活性炭纤维的催化氧化和催化还原特性在汽车尾气的治理方面有很好的应用前景。因为活性炭纤维表面载附其它金属催化剂后，可以获得非常有益的催化效果。活性炭纤维负载铜、钴、镍，作为催化剂载体不仅有利于对金属的吸附和分散，而且活性炭纤维本身具有活性载体的作用。如符若文等人将活性炭纤维分别浸泡在一定浓度的PdCl2，PtCU，CuCl2的水溶液中，或PdCl2与Cu（N03）2，PtCl2与Cu（N03）2，Co（N03）2与Cu（N03）混合水溶液，室温下振荡24h后，取出晾干，在110*下烘千即制得负载金属基活性炭纤维。经400T热处理的负载Pd活性炭纤维在300T以上的催化温度对C0/N0混合气体有很高的催化转化率，在合适条件下达到100%.采用Cu/Pd混合物负载比用单组分Pd可提高对C0的动态吸附率，节省Pd的用量。Pd/Cu活性炭纤维催化剂连续使用70h后催化效率仍然保持100%. 4.2.5活性炭纤维的其它性能与传统的活性炭相比，还有以下性能：体积密度小，过滤阻力小，约为粒状活性炭的三分之一；强度高，不易粉化，吸附层不会因为碎屑沉积和沉积不均匀而造成阻力增加或流体分布不均。也不会造成二次污染。纯度高，杂质少，可以用于食品加工和医疗卫生工业。形态多样性，可以加工成毡、布、纸以及其它形态，根据需要制成各种制品，以适应不同用户的要求。

　　归纳起来，与传统的活性炭相比活性炭纤维的独特之处有：活性炭纤维的直径细，一般为10~13fim，与被吸附物的接触面积大，而且可以均匀接触、吸附，使得材料充分利用，效率提高。外表面积大、吸脱附速率快、吸附容量大，可吸附处理低浓度废气或具有高活性的有机物质。孔径分布窄，主要以微孔、亚微孔为主，可以通过工艺调整孔径大小与被吸附物质的分子尺寸相匹配，从而达到分离的目的。体积密度小、扩散阻力小、动力消耗少，可以吸附粘度较大的液体物质。漏损少、吸附层薄，可制成轻小型设备，强度高、不容易粉化，可任意加工成所需要的形态，操作简便安全、节能经济。

　　5几个前沿课题及建议S.1活性炭纤维的形状设计除了常用的形状外，有两种新开发的产品，一种是中空炭纤维，另一种是活性炭纤维非织造布。为了提高活性炭纤维的吸附速率，吸附量，研制了中空活性炭纤维。这种纤维的制造方法是首先把聚丙烯腈用二甲基甲酰胺溶解配制15%的纺丝溶液，用特殊的纺丝工艺制得内径为400、外径为600/mi的中空前驱体。再把前驱体在空气气氛中230预氧化5h，氮气气氛中在1000t炭化，然后在800T用C02活化10~40min*终得到中空活性炭纤维。该纤维具有较小的结晶尺寸，较大的比表面积，但纤维的力学性能有所下降。纯活性炭纤维针织或机织布材料具有强度高、结构紧密的特点，但需要经纺纱、织造加工，其生产成本高，而过滤性能不及非织造布。杨志红等采用针刺法研制了全连续活性炭纤维非织造布。该纤维针刺布具有以下突出特点：极大的比表面积，1200 ~2000m2/g；吸附速度高，脱附方便，且脱附以后活性炭纤维的吸附性能基本不变；能有效地吸附和脱附大量物质；布状产品，便于产品的复合、裁剪、成型及缝制等后加工。

　　5.2调整孔结构及孔分布吸附剂的细孔分为三类，即孔径小于2nm的微孔，2~50nm的中孔，大于50ran的大孔。目前的活性炭纤维大多为微孔型，孔径分布在1 ~2rnn，特别适于气相和液相低分子量分子的吸附，但无法吸附较大分子，如水中的腐殖酸、致癌物质CHC13、生物大分子病毒蛋白质等。从而限制了它在催化、医药、电子及液相吸附的应用范围。为了解决这一难题，近几年人们开始研制中孔型活性炭纤维，并取得了一些成果。从目前国内外研究现状来看，中孔型活性炭纤维的制备主要从改变活化工艺和用含添加剂的原料这两种工艺路线来制备中孔活性炭纤维。也有人曾在反应区加人催化剂即可在其表面发生化学气相沉积，得到气相生长炭纤维，经表面处理和活化可得到中孔型活性炭纤维。选择合适的原材料、活化剂、控制反应条件等可以达到调整孔结构及孔分布的目的，同时亦可制成具有特定吸附分离功能的分子筛炭纤维，日本千叶大学的研究认为当微孔的大小为吸附质分子临界尺寸的两倍时，吸附质易被吸附。总之调整活性炭纤维孔径的目的就是为了提高其对不同吸附质的吸附性能，从而获得*理想的分离效果。

　　5.3高性能化及特种功能化由于活性炭纤维的吸附性能具有选择性，应针对不同的使用工况选择合适的品种，同时以高性能满足*佳的需要。活性炭纤维微晶平面层边缘原子或外露晶格缺陷、移位、断层处都是活泼点，具有密度较高的不成对电子，因而有很篼的反应性，易于同其它元素反应而形成支配表面化学结构的化学官能团。如活性炭纤维用硫酸处理后可以催化与反应生成，所以能提高低浓度的脱除率。用氧化性物质如次氯酸盐、重铬酸盐、硝酸、过氧化氢、臭氧等对炭纤维进行处理可提高其表面官能团的含量，使其表面亲水，故可用来做吸湿脱水材料以及增加对极性物质的吸附。总之，通过对活性炭纤维的表面改性可以提高其吸附能力和催化性能。

　　5.4对发展我国活性炭纤维的建议我国虽然对活性炭纤维的原料、制备及相关基础理论、应用进行了研究。但各方面还都有进一步加强、加快研究的必要。随着世界范围环保法规的强化、“可持续发展行动纲领”的实施以及IS014000环保标准产品的推行，活性炭纤维的发展前景是非常广阔的，而且随着人们生活水平的提高，活性炭纤维制品将深人到生活的各个领域，如家庭用水净化器、除臭鞋垫和袜子、冰箱除臭剂等。活性炭纤维、活性炭纤维吸附材料及装置在国外已进入工业化和实用阶段。我国还处于研制、开发阶段，还未形成工业生产。随着社会需要的增加，技术的发展，相信我国的活性炭纤维生产一定会飞速发展。

　　需要加强以下几个方面的研究：（1）目前国内市售的活性炭纤维制品主要以粘胶基为主，所以应对聚丙烯腈基活性炭纤维投人更大的资金和人力进行中空、中孔、非织造布等各种高性能的活性炭纤维进行攻关。（2）加快应用领域的开发，关键是高校、科研院所与环保或加工企业合作开发半成品、二次加工或高效、小型化新装置、新产品，找准市场的定位，争取在*短的时间内取得突破。