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活性炭纤维制备及对有机物吸附性能研究的中期报告

一、研究背景

活性炭是一种具有高比表面积、多孔性、高吸附性能的吸附剂，广泛应用于废水处理、空气净化、食品加工等领域。传统的活性炭制备方法主要包括化学活化法、物理活化法等，但这些方法存在能源消耗大、工艺复杂、成本高等缺点。近年来，活性炭纤维作为一种新型吸附材料引起了广泛关注。活性炭纤维制备工艺简单，具有高比表面积和良好的机械强度，且可以通过纤维交织形成三维网络结构，具有更好的连续性，因此在吸附和过滤领域具有广泛的应用前景。

二、研究内容和进展

本研究选择聚丙烯腈（PAN）纤维为主要原料，采用氧化磷酸法对纤维进行表面活化处理，制备了一种新型活性炭纤维材料，并研究了其对有机物的吸附性能。

1.活性炭纤维的制备

（1）材料选择与预处理

聚丙烯腈纤维是具有较好制备条件和吸附性能的活性炭纤维的重要原料。本研究采用直径为20μm的PAN纤维作为原材料，并在70℃下进行水热处理，去除杂质和冲刷纤维表面的亚硫酸盐。

（2）氧化磷酸法表面活化

在表面处理的方法中，氧化磷酸法是一种经济、高效、易控制的表面活化方法。将氧化磷酸和硫酸加入PAN纤维的热水溶液中，在反应过程中，氧化磷酸的高活性和热力学性质可以有效刻蚀纤维表面，形成超微孔结构，提高活性炭纤维的孔隙率和储存比表面积。

（3）热处理制备活性炭纤维

将得到的活化纤维在氮气保护下热处理，使其进行烧结和排放有机物的步骤，最终制备出具有三维多孔结构的活性炭纤维。

2.活性炭纤维的物理化学性质分析

（1）比表面积及微孔容积

使用比表面积仪和氧气物理吸附法（BET）对纤维进行了表面积和微孔容积的测量，发现活化纤维比表面积达到了541.56m2/g，微孔容积为0.409cm3/g，在物理性质上与传统的活性炭相比有了明显的提升。

（2）红外光谱分析

对未活化纤维和活化纤维进行了红外光谱分析，发现活化纤维在1400cm?1左右有两个骨架振动峰，分别为氨基和耐酸苯环骨架振动峰，这表明纤维表面存在碳酸第一肽基团化学结构。

3.吸附性能测试及优化

为验证新型活性炭纤维材料对有机物的吸附效果，本研究选择了苯乙烯和甲基橙两种代表性的有机物进行了吸附性能测试。实验结果表明，制备出的活性炭纤维对苯乙烯和甲基橙的吸附量均达到了很高的吸附饱和度，并且吸附速率相对较快。

为进一步优化活性炭纤维的吸附效果，还对吸附条件进行了优化研究。实验结果表明，活性炭纤维的吸附性能受到pH值、温度、吸附时间和溶液初始浓度等因素的影响。在实验条件下，活性炭纤维对苯乙烯的最大吸附容量为175.44mg/g，对甲基橙的最大吸附容量为240.17mg/g，吸附效果明显优于传统的活性炭吸附剂。

三、研究结论

本研究成功制备出一种具有高比表面积和孔隙率、三维网络结构的活性炭纤维材料，并对其在有机物吸附方面的性能进行了研究。实验结果表明，制备出的新型活性炭纤维材料对苯乙烯和甲基橙的吸附效果优良，吸附容量明显高于传统的活性炭吸附剂。该研究成果具有重要的应用价值和推广意义，有望在环保领域得到广泛应用。