由棉和聚酯纖維混合物制備活性炭纖維

曹文魏學習翻譯

活性炭纖維（ACF）是一種吸引越來越多研究關注的新型材料。具體而言，纖維混合物的ACF生産被認為是重複使用廢布和纖維的有用方法。然而，現有研究沒有徹底研究前述混合物在ACF制備中的用途。在本研究中，我們描述了由棉和聚酯纖維的混合物制備ACF，并讨論了制備過程中遇到的問題的解決方案。我們試圖通過使用ACF圖像的灰度強度來确定非破壞性方法。該方法具有潛在的前景，我們期望它可以在進一步改進後用于吸附評估。

活性炭纖維（ACF）引起了人們的極大關注因為其表面的孔隙具有吸附和保留不需要的物質的潛力。因此，ACF被認為是活性炭的潛在替代品，其通常用作過濾器以去除廢物。活性炭纖維吸附的常用評價方法包括亞甲藍（MB），汞滲透或氮吸附法。MB方法很簡單，隻需要很少的時間。

在大多數研究中，ACF僅由單一材料制備。Sugumaran等。報道了由香蕉空果束（BEFB）和Delonix reGIa果莢（DRFP）産生的ACF，以及一組報道了由絲綢制備的ACF。然而，預期從纖維混合物生産ACF将構成一種生态友好的方法，其重複使用廢布和纖維材料。在先前的研究中，我們确定源自纖維混合物的ACF的吸附能力不會有效增加。聚酯的熔點為260°C，這低于本研究中使用的溫度。因此，聚酯在熱處理過程中液化并導緻聚酯纖維封閉棉，人造絲和其它纖維中産生的孔隙。因此，由非聚酯纖維産生的孔結構表現出較低的吸附傾向。與通過使用兩步熱處理制備的ACF相比，通過使用一步熱處理産生的ACF表現出更高的亞甲藍（MB）吸附。這表明碳化纖維的孔結構在聚酯存在下反複加熱而關閉。

圖1。（A）未處理棉和（B）未處理聚酯的圖像。

首先，我們考慮在氮氣下進行處理。在氮氣下由棉，聚酯和棉 - 聚酯制備的ACF的典型圖像分别顯示在圖 2A ，B和C中。在超過400℃的溫度下，來自棉花的ACF對應于易碎的黑布（圖 2A）。衍生自聚酯的ACF對應于200℃的白布，白色布在400℃下與黃色粉末混合，和在600℃下的黃色粉末（圖 2B）。對于來自棉和聚酯混合物的ACF，觀察到棉和聚酯的特性（圖 2C）。

圖2。碳化纖維的圖像在氮氣下在幾個溫度下由（A）棉（i）C-200N，（ii）C-400N和（iii）C-600N）得到; （B）聚酯（i）P-200N，（ii）P-400N，和（iii）P-600N）; （C）棉 - 聚酯（i）CP-200N，（ii）CP-400N，和（iii）CP-600N。

其次，我們描述了在二氧化碳下制備的ACF。在二氧化碳下由棉，聚酯和棉 - 聚酯制備的ACF的典型圖像分别示于圖3A，B和C. 二氧化碳樣品更脆弱，盡管在二氧化碳下來自棉花的ACF類似于在氮氣下制備的那些。（圖3A）。在二氧化碳下由聚酯衍生的ACF在200℃下顯示為白色布，并且在400℃和600℃下與白色顆粒一起混合有稍厚且硬的布（圖 3B）。據報道，在二氧化碳條件下結晶的聚乳酸也有類似的結果[15]。如果ACF衍生自棉 - 聚酯混合物，圖像描繪的特征顯示為棉和聚酯狀态的混合物（圖3C ）。總之，對于在二氧化碳下的熱處理，與粉末相比，棉更脆弱并且聚酯更多地是顆粒和硬布的混合物。這與用氮氣獲得的結果形成對比。

圖3。在（A）棉（i）C-200N，（ii）C-400N和（iii）C-600N）的幾個溫度下在二氧化碳下衍生的活化碳化纖維的圖像; （B）聚酯（i）P-200N，（ii）P-400N，和（iii）P-600N）; （C）棉 - 聚酯（i）CP-200N，（ii）CP-400N，和（iii）CP-600N。

在氮氣（圖4A）和二氧化碳（圖 4B）下熱處理的聚酯和棉樣品的計算平均GI 表明，當處理溫度升高時，GI大多減少。聚酯在200℃和400℃下在氮氣下的GI幾乎沒有差異。棉花樣品在400℃和氮氣下獲得非常低的GI，并且在600℃下該值略高。

圖4。基于（A）氮（C，C-200N，C-400N，C-600N，P，P-200N，P-400N，P）制備的每個樣品的圖像的100多個點的平均灰度強度（GI） -600N，CP，CP-200N，CP-400N和CP-600N）和（B）二氧化碳（C，C-200N，C-400N，C-600N，P，P-200N，P-400N，P -600N，CP，CP-200N，CP-400N和CP-600N）。通過将在每個溫度下處理的樣品的平均灰度強度值除以每個标準未處理樣品的平均灰度強度值來計算這些值。灰度強度值由以下等式描述：T°C時的灰度強度（％）= T°C時的平均灰度強度/未處理樣品的平均灰度強度。

樣品體積總結在圖5中，用于在氮氣下（圖5A）和二氧化碳（圖 5B）對ACF進行熱處理。除棉花樣品外，當處理溫度升高時，體積會減少。就棉花而言，體積在400℃時比在600℃時小。就聚酯而言，體積逐漸減少。

圖5。對于在（A）氮氣和（B）二氧化碳下處理的樣品具有相應體積的活性碳纖維，如表1中所列。每個值對應于三個樣本的平均值。計算的标準偏差值小于5％。

具體而言，MB被選擇用于吸附測量，因為已知其強烈吸附活性炭材料[4]。典型的MB吸附值如圖6所示，用于在氮氣（圖6A）和二氧化碳（圖6B）下熱處理ACF 。處理溫度的增加增加了MB吸附。在二氧化碳下制備的樣品表現出的吸附超過在相同溫度下在氮氣下制備的吸附。

圖6。亞甲基藍（MB）吸附活性碳化纖維（ACFs），初始MB濃度為120 mg / L，初始樣品重量為1 g。每種樣品在（A）氮氣或（B）二氧化碳下制備。每個值對應于三個樣本中的平均值。計算的标準偏差值小于5％。

對于在氮氣下制備的棉花，在400℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6A）。相反，對于在二氧化碳下處理的棉花，在600℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6B）。當處理溫度升高時，用二氧化碳制備的棉樣品的MB吸附也增加。

對于在氮氣下制備的聚酯，在600℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6A）。P-200N和P-400N的吸附均低于未處理的P（圖6A）。對于在二氧化碳下制備的聚酯，在600℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6B）。當處理溫度升高時，在二氧化碳中制備的聚酯上的MB吸附也增加。

對于在氮氣下制備的棉 - 聚酯混合物，在600℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6A）。CP-400N的吸附低于CP-200N的吸附（圖6A）。對于在二氧化碳下制備的樣品，在600℃下制備的樣品表現出最高的吸附（圖6B）。然而，在氮氣和二氧化碳下制備的CP-400N樣品的吸附率低于未處理的CP（圖6B）。

這些結果表明，棉和聚酯的混合物應在600℃下在二氧化碳下處理，以制備具有最高吸附的ACF。這證實了棉和聚酯的混合物可以用于制備更好的ACF，并且通過進一步優化可以允許甚至從布混合物制備優異的ACF。

源自棉花的活性碳纖維具有最低的灰度指數和體積（％）以及在400℃下在氮氣中熱處理的最高MB吸附。在600℃ 下進行二氧化碳氣體處理時，這些趨勢相匹配。結果非常有趣。這些事實可能與活性碳纖維上的孔結構有關。它們讨論如下。

吸附需要活性碳纖維上的最佳孔徑。當棉花在較高溫度下處理時，最佳的孔隙結構被破壞。這一發現與先前研究[16]中獲得的結果一緻。該研究涉及用ZnCl 2從棉制備活性炭纖維。該研究還檢測了MB吸附。在這種情況下，500°C對應于最佳溫度。在本研究中，我們在氮氣或二氧化碳氣體下制備了來自棉花的活性炭纖維。對于在氮氣和二氧化碳氣體下分别來自棉花的活性炭纖維，産生最佳孔徑的最佳處理溫度相當于400℃和600℃。孔結構尺寸與灰度強度值有關，因為在最佳溫度下光吸收較高。另外，最佳結構可構成這些溫度下的最低體積。

評估ACF吸收能力的簡單且無損的方法具有巨大的價值。具體而言，MB吸附方法需要破壞ACF樣品。因此，我們通過使用從使用普通數碼相機拍攝的圖像得到的GI值來研究測量ACF吸收能力的可能性。報告了類似的液晶 評估方法和文化資産。為了評估這種方法，我們使用了20個數據點來計算吸附與GI之間的相關系數。盡管相關系數（r = 0.6）不高，但該值表明MB吸附和GI略微相關。另外，GI與光吸收有關。潛在地，調整波長，亮度的入射光，或使用過濾的光的可能導緻更好的相關性。因此，通過進一步開發，該方法可用于評估吸附能力而無需樣品破壞。研究結果表明，簡單的圖像分析可用于評估ACF的吸附能力。

圖7。活性碳化纖維（ACF）樣品的平均灰度強度（GI）與亞甲藍（MB）吸附。應用該方法并在20種不同的ACF樣品上進行比較。單個GI值基于每個圖像超過100個點。計算出吸附與GI之間的相關系數（r = 0.6）。

在這項研究中，我們通過在不同的熱處理條件下使用棉和聚酯纖維的各種組合制備ACF，并對産品及其吸附能力進行表征。MB吸附實驗的結果表明，熱處理對于制備衍生自包括聚酯的纖維混合物的ACF是有效的。該結果可用于更好地理解衍生自混合纖維廢物的ACF的吸附能力，所述混合纖維廢物包括具有低熔點的纖維，例如聚酯。此外，結果表明MB吸附值和樣品的平均GIs是相關的，我們提出了一種簡單的方法來評估ACFs的吸附能力而沒有樣品破壞的可能性。

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