Способы получения активированных материалов (углеродных активированных волокон в частности)
Наиболее приемлемо и с технологической, и с экономической точек зрения получение активированных углеродных волокон методом газофазной активации, при этом применяются пар, углекислый газ либо кислород. Сначала полимерные волокнистые материалы подвергают карбонизации (высокотемпературной обработке при температуре 650-950°С), затем проводят активацию карбонизованного волокнистого материала и получают уже активированный сорбент. Таблица. 1. Свойства активированных углеродных волокон (АУВ) и активированных углей. Характеристики | Тип углеродного сорбента | | АУВ ПАН | АУВ ГЦ | АУВ ПЕК | АУВ ФФС | Активированные угли | | Диаметр, мкм | 6-11 | 7-18 | 11-17 | 9-10 | 1000-3000 | | Удельная поверхность, м2/г | 700-1200 | 700-1550 | 700-2200 | 700-2500 | 500-950 | | Внешняя удельная поверхность, м2/г | 1,0-1,5 | 1,0-2,0 | 0,5-1,0 | 0,2-0,7 | 0,01 | | Диаметр пор, нм | 2-3 | 1-3 | 1-3 | 1-3 | 4-6 | | Адсорбция бензола, г/г | 0,20-0,40 | 0,20-0,55 | 0,20-0,60 | 0,20-0,75 | 0,20-0,35 | | Содержание углерода, % | 88-91 | 92-95 | 92-95 | 92-95 | 80-90 |
На сегодняшний день наиболее интересными сорбентами могут являться сорбенты, полученные на основе фенолформальдегидных смол, у которых удельная поверхность достигает 2500 м2/г, а в экспериментальных случаях и еще больше, на втором месте стоит гидратцеллюлоза. Полученные показатели являются стандартными, и сорбенты общепризнано имеют большое значение в производстве средств индивидуальной защиты, защитной одежды, очистки воздуха и так далее. Активированные углеродные волокна имеют рыхлую структуру. Они представляют собой образования связанных микрокристаллов, между которыми находится огромное количество пор, на наш взгляд это микрофибриллы гидроцеллюлозных волокон, которые так и сохранили свою структуру. Несмотря на то, что эти волокна имеют довольно высокие сорбционные показатели, все-таки в некоторых случаях они не удовлетворяют требованиям, которые сейчас выдвигаются. В частности назрела необходимость получения волокон сорбентов с электропроводящими характеристиками, то есть таких, которые мы могли бы использовать для прямой регенерации после адсорбции растворителей.
Зачастую в сорбционных процессах не учитывается то, что углеродные волокна сорбента – это не просто адсорбенты, которые связывают растворители или какие-то вещества в результате физической адсорбции, но, как правило, они являются полиамфолитами, правда емкость таких сорбентов, их обменные характеристики довольно низки. При очистке или тонкой доочистке питьевой воды или других жидкостей, это следует обязательно учитывать, и нами были предложены целая серия устройств, в которых были скомбинированы углеродные волокна аниониты, то есть обладающие анионогенными группами и катиониты. Эти волокна – катиониты – легко получаются путем окисления. Если волокна получены при температурах ниже 1100-1200°С, то у них довольно высокое сопротивление, что не позволяет их использовать в качестве проводников тока.
Области применения модифицированных углеродных волокнистых сорбентов
АУВ применяют: для тонкой доочистки питьевой воды; для очистки растворов от бактерий и вирусов; для очистки газовоздушных сред от таких газов как сероводород, аммиак и даже пары ртути; в системах регенерации активированных волокон за счет эффекта Джоуля, то есть за счет прямого нагрева электрическим током; и в накопителях электроэнергии.
Способы модификации.
Самыми простыми способами модификации являются химическое окисление, и электрохимическое окисление. Одним из простых методов является импрегнирование, то есть пропитка волокнистых сорбентов целым рядом солей. подбор этих солей и упрощение методики – это довольно важная технологическая задача. Инклюдирование нано- и микрочастиц металлов – это самый сложный способ модифицирования. Нано- и микрочастицы металлов являются и катализаторами, и одновременно в ряде случаев увеличивают сорбционную способность по отношению, например, к вирусам и бактериям. Примером использования модифицированных медь- и серебросодержащих волокон, является их применение как для улавливания и разделения вирусов гриппа, так для адсорбции и иммобилизации бактериальных клеток. Волокна, содержащие частицы серебра, в зависимости от того, какова структура самих частиц серебра сорбируют в довольно высоких количествах бактерии и вирусы, и одновременно являются еще и бактерицидными.
Электропроводящие волокна
Нами были разработаны две технологические схемы, которые внедрены в производство и на их основе получены волокна с различными характеристиками. Удалось получить волокна с удельным электрическим сопротивлением в зависимости от условий получения от 12 до 110 мОм см, и при этом для целого ряда волокон было показано, что они способны удерживать на поверхности довольно высокие заряды – до 140, в некоторых случаях до 150 Фарад/см3. Такие волокна применяются для создания ионистеров. Основные показатели токопроводящих АУВ Свойства АУВ | Высокотемпературная обработка/активация | Активация/дополнительная термообработка | | КТТО УВМ1200°С | КТТО УВМ1300°С | КТТО УВМ1500°С | ТДТО1300°С | ТДТО1400°С | ТДТО1500°С | | Степень активации | 30 | 55 | 30 | 55 | 30 | 58 | 30 | 55 | 30 | 55 | 30 | 55 | | Vo, см3/г | 0,40 | 0,64 | 0,39 | 0,64 | 0,40 | 0,64 | 0,30 | 0,55 | 0,30 | 0,50 | 0,25 | 0,40 | | Vми, см3/г | 0,40 | 0,64 | 0,32 | 0,55 | 0,35 | 0,51 | 0,28 | 0,38 | 0,18 | 0,28 | 0,13 | 0,20 | | ρV, мОм см | 110 | 149 | 29 | 49 | 26 | 40 | 18 | 42 | 13 | 31 | 12 | 27 | | С, Ф/см3 | - | - | 90 | 60 | 90 | 80 | 150 | 80 | 130 | 100 | 140 | 110 |
Оказалось, что чем выше проводимость, тем больше заряд может быть удержан на поверхности углеродного волокна. Токопроводящие углеродные волокна могут быть использованы для создания накопителя или концентратора органических растворителей, регенерация волокон происходит за счет разогревания при пропускании прямого тока.
Это конечно не все способы модификации волокон, однако перечисленные способы позволяют расширять области применения углеродных волокон, и соответственно делают возможным их успешное распространение.
Выступление А.А. Лысенко, Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, на 2-й международной конференции «Полимерные материалы XXI века», проходившей в рамках 14-й международной выставки «Химия-2007».
|
