一种改性活性碳纤维及其制备方法和用途 【技术领域】
本发明涉及一种改性活性碳纤维及其制备方法和该改性活性碳纤维用于吸附富集惰性气体氙(Xe)的用途。
背景技术
放射性稀有气体133Xe来自核反应堆、核电站及其它核设施的裂变产物。若从废气中排出，则对环境造成较大的危害，故对它的吸附处理技术的研究具有很重要的意义；同时，通过监测全球大气中133Xe活度的变化，可以发现可能存在的违约核事件。由于氙的大气本底浓度只有0.087ppm，其中放射性氙的同位素(主要包括131mXe、135Xe、133mXe和133Xe)的含量更低，因此监测时应首先对大气中的氙进行富集、分离和提纯。
从空气中分离纯化氙的方法包括吸附法、低温蒸馏法、选择性半透膜法及溶剂吸附法等，但以吸附法较为常用和有效。为了实现对大气中氙的高效分离，选择合适的吸附剂是需要考虑的关键因素之一。可用于吸附分离氙的固体吸附剂材料主要包括活性碳、分子筛、石墨、多孔金属等，吸附可在常温下进行，也可在低温下进行。但是，这些吸附剂对氙地吸附量仍较低。为了提高对大气中的氙进行富集的效率，仍需开发更加有效的吸附剂。
【发明内容】
本发明的目的在于通过对一般的活性碳纤维(ACF)的改性，提供能高容量吸附富集大气中的氙的改性活性碳纤维，并将其用于吸附富集氙气体。
本发明的改性活性碳纤维，是在基体活性碳纤维上负载有0.05％～20％重量的贵金属的活性碳纤维。
所说的基体活性碳纤维可以是一般常用的活性碳纤维；最好是比表面积为1000～2000m2/g，孔宽分布为0.3nm～1.5nm的活性碳纤维。
所用的贵金属可为金、银、铂或钯，通常为银。
本发明的改性活性碳纤维的制备方法，是以一般活性碳纤维为基体活性碳纤维，浸泡于含贵金属离子浓度为0.01～1.0mg/L的溶液中，并置于振荡器中振荡4～24小时，活性碳纤维重量与含贵金属离子的溶液体积的固液比为1∶1～1∶5，滤去溶液，洗涤，即得到所需的负载贵金属的改性活性碳纤维。所用的贵金属离子可为金、银、铂、钯离子。
通过控制活性碳纤维制备过程中的碳化活化温度，选择适当的活化剂，可制备出具有最适合本发明的孔径和比表面积的基体活性碳纤维。本发明所用的基体活性碳纤维最好是按以下方法制备的：将原纤维用稀碱溶液处理后，再用5％～35％磷酸氢二铵溶液浸泡12～48小时，固液比为1∶1～1∶3，浸泡后取出纤维晾干备用；将以上预处理后的纤维在750～950℃温度下恒温30分钟碳化；碳纤维于750-950℃温度下用流量为0.5～5g/min的水蒸汽活化0.5～6小时，得到比表面积为1000～2000m2/g，孔宽分布为0.3nm～1.5nm的基体活性碳纤维。所说的原纤维可以是PAN、PVA、沥青纤维或剑麻纤维。
本发明的改性活性碳纤维用于吸附富集氙气体时，只要将其与氙气体或含氙的气体接触即可。通常是将改性活性碳纤维与氙气体或含氙的气体接触0.1～2小时。
本发明的改性活性碳纤维适合用于吸附富集大气中的氙气。
本发明的负载贵金属的改性活性碳纤维与无负载贵金属的原活性碳纤维相比，对稀有气体氙的吸附量有显著的提高，在1×103Pa～6×104Pa压力下，可提高100％～40％。
负载贵金属活性碳纤维对氙气的吸附量的测定，是在特制的高真空度恒温吸附装置中进行的。根据恒定温度下，活性碳纤维对氙的吸附量与系统压力的关系(即吸附等温线)，评价活性碳纤维对氙的吸附能力(容量)。
【附图说明】
图1为粘胶基活性碳纤维(曲线2)及其负载贵金属后(曲线1)对氙气的吸附等温线。该曲线反映了上述这两种活性碳纤维对氙气吸附能力的大小。该图明显地表明，粘胶基活性碳纤维载贵金属后，对氙气的吸附能力有很大的提高。对这两条等温线进行拟合，然后根据拟合结果计算并比较在不同压力下载贵金属和不载贵金属的两种活性碳纤维对氙气的吸附量，结果如表1所示。显示在实验的压力范围内，活性碳纤维载贵金属后，其对氙气的吸附容量提高了49％～125％。
表1
活性碳纤维原样的氙 负载贵金属后活性碳 负载贵金属前后活性压力(104Pa) 吸附量 纤维的氙吸附量 碳纤维的氙吸附量比
(mg Xe/g ACF) (mg Xe/g ACF) 值 0.27 15.7 35.2 2.25 0.61 34.9 74.8 2.14 1.05 57.6 117.1 2.03 1.60 83.5 160.3 1.92 2.21 109.9 199.7 1.82 2.85 134.8 233.2 1.73 3.57 160.1 264.1 1.65 4.16 178.9 285.2 1.59 4.59 191.6 298.7 1.56 5.53 217.4 324.3 1.49
图2是负载不同量贵金属后活性碳纤维对氙气吸附量的比较。曲线1为未负载贵金属的活性碳纤维对氙气的吸附等温线，曲线2为负载15％贵金属后的活性碳纤维对氙气的吸附等温线，曲线3为负载5％贵金属后的活性碳纤维对氙气的吸附等温线。由图显示，活性碳纤维的载银量对其吸附氙的能力有影响，合适的载银量将能更大的提高其对氙气的吸附富集效果。具体实施方式实施例1
粘胶纤维经碳化，并于850℃下水蒸汽活化90min，得到比表面积1243m2/g，孔容0.60mL/g，微孔平均孔径0.598nm的粘胶基活性碳纤维。将该活性碳纤维用稀硝酸洗涤后，浸渍于浓度为0.05％的含银溶液中24小时后，滤去溶液，纤维经充分洗涤，低温真空烘干，得载银量为20％(重量比)的改性粘胶基活性碳纤维。对比该活性碳纤维载银前后对氙气的吸附量，结果如表2所示。可见，活性碳纤维载银后，在低压下，可将活性碳纤维对氙气的吸附量提高约70％；在较大压力下，也可将活性碳纤维对氙气的吸附量提高40％以上。
表2
活性碳纤维原样的氙 负载贵金属后活性碳 负载贵金属前后活性 压力
吸附量 纤维的氙吸附量 碳纤维的氙吸附量比(104Pa)
(mg Xe/g ACF) (mg Xe/g ACF) 值 0.29 19.5 33.6 1.72 0.67 42.2 70.9 1.68 1.09 65.5 107.5 1.64 1.64 91.9 147.0 1.60 2.24 117.2 183.1 1.56 2.87 140.4 214.6 1.53 3.55 162.3 243.2 1.50 4.01 175.8 260.2 1.48 4.35 184.7 271.2 1.47 5.11 203.2 293.6 1.44实施例2
比表面积1100m2/g，孔容0.90mL/g的剑麻基活性碳纤维，经稀硝酸洗涤后，浸渍于浓度为0.05％的含银溶液中24小时后，滤去溶液，纤维经充分洗涤，低温真空烘干，得到载银的重量百分数为15％的改性活性碳纤维。在分压为0.3×104Pa～6.0×104Pa的压力范围内测定其对氙的吸附，根据吸附等温线测试评价、并对比该活性碳纤维载银前后对氙气的吸附量。结果表明，活性碳纤维载银后，低压下，其对氙气的吸附量比未载银时约提高150％；在较大压力下，也可将活性碳纤维对氙气的吸附量提高28％以上。实施例3
沥青基活性碳纤维，比表面积为1900m2/g，孔容1.02mL/g，微孔平均孔径0.72nm。将该活性碳纤维浸渍于浓度为0.1％的含银离子的溶液中，反应24小时，得到负载银约15％(重量比)的改性活性碳纤维。该改性活性碳纤维对氙气的吸附评价方法同实施例2。对比该活性碳纤维载银前、后对氙气的吸附量，结果表明，活性碳纤维载银后，低压(0.5×104Pa～2.0×104Pa)下，其对氙气的吸附量比未载银时约提高100％；在较大压力(2.0×104Pa～6.0×104Pa)下，也可将活性碳纤维对氙气的吸附量提高40％～80％。实施例4
将实施例2中含贵金属的浸渍液改为0.0001％的含金溶液，经实施例2同样处理后，得到负载金的重量为0.05％的的改性活性碳纤维。吸附条件与实施例2相同。结果表明，活性碳纤维载极少量的金后，低压下，其对氙气的吸附量比未载金时约提高50％；在较大压力下，也可将活性碳纤维对氙气的吸附量提高20％。