Vývoj aktivované uhlíkové textilie z akrylového vlákenného odpadu

Muhammad Salman Naeem, M.Sc.

Doctoral thesis

Development of Activated Carbon Web from Acrylic Fibrous Waste

Abstract:

Aktivní uhlíková vlákna získala značnou pozornost v posledních desetiletích v důsledku mimořádných adsorpčních vlastností vůči těžkým kovům, toxickým plynům, barvivům a dalším nebezpečným chemikáliím. Vedle vysoké adsorpční kapacity jsou hnací sílou vývoje aktivních uhlíkatých vláken také aplikace proti tepelnému, elektrickému a elektromagnetickému stínění. Různé prekurzory používané pro přípravu těchto vláken jsou na celulózové bázi, bázi polyakrylonitrilu, dehtu, polyimidu, fenolových pryskyřic a polyetylenu. Výzkumní pracovníci se věnují hledání různých materiálů a metod pro snížení nákladů na aktivní uhlíková vlákna. V této práci je využíván odpad akrylových vláken společně s novou metodou jednostupňové karbonizace a fyzikální aktivace pod vrstvou dřevěného uhlí. Pro přeměnu vstupního materiálu na aktivní uhlíkové vlákno je vstupní materiál stabilizován a následně karbonizován při vysoké teplotě. Rychlost ohřevu, čas prodlevy a konečná teplota pyrolýzy hrají významnou roli v získání požadovaných hodnot elektrické vodivosti (povrchová a objemová vodivost), lepší účinnosti elektromagnetického stínění (ESE) a relativní plochy povrchu. Tato pracovní optimalizace parametrů pro získání větší plochy povrchu a elektrické vodivosti byla realizována s měnícím se počtem kroků, časy prodlevy (0, 30 a 60 minut), rychlostmi ohřevu (150, 300 a 400 °C/hod) a konečnými teplotami pyrolýzy (800, 1000 a 1200 °C). Bylo zjištěno, že rychlost ohřevu 300 °C/hod, čas prodlevy 0 minut a finální teplota pyrolýzy 1200 °C s dvoufázovým postupem jsou optimální parametry pro získání dobré plochy povrchu a elektrické vodivosti. Později byl odpad z akrylových vláken přeměněn na kompaktní struktury netkaných pásů pomocí mykání a vpichováním. Netkané pásy byly převedeny vysokými teplotami pece po stabilizaci a karbonizaci na finální parametry. Výtěžek a smrštění aktivních uhlíkových pásů při různých teplotách byl zjišťován pomocí měření hmotnosti před a po karbonizaci a změny rozměrů byly zjišťovány rovněž před a po karbonizaci. Podobně flexibilita nebo tuhost a prášivost aktivních uhlíkových pásů byly měřeny podle principů měření Cantilever testem a odíráním pásů proti opotřebí Taber Wear and Abrasion Testerem. Povrchová morfologie a chemická struktura aktivních uhlíkových pásů byla měřena pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), energetické disperzní rentgenové mikroskopie (EDX), rentgenové difrakce (XRD) a metodou izotermy Brunauer-Emmet-Teller (BET). Elektrická vodivost a účinnost elektromagnetického stínění aktivních uhlíkových pásů byla stanovena pomocí paralelní a soustředné elektrody a pomocí metody "coaxial transmission line". Ukázalo se, že v důsledku vyšší orientace řetězců, kompaktnosti řetězců a vyššímu obsahu krystalinity při vyšší teplotě pás připravený při vysoké teplotě dává lepší výsledky elektrické vodivosti a účinnosti stínění. Adsorpční schopnosti aktivních uhlíkových pásů stejně jako železem impregnovaných aktivních uhlíkových pásů byly stanoveny adsorpcí použitím metylenové modři při různých parametrech jako například různé koncentrace barviva, adsorpční dávce, rychlosti míchání či pH. Výsledky byly ověřeny pomocí adsorpčních izoterm (Freundlichova a Langmuirova) a reakční kinetiky (pseudo-prvního a druhého řádu).

Abstract:

Activated carbon fibers have gained significant attention since the last decade due to their extra-ordinary adsorption characteristics towards heavy metals, different poisonous gases, dyes and other hazardous chemicals. Besides high adsorption capacity, the thermal and electrical conductive properties of activated carbon fibers are driving forces towards thermal, electrical and electromagnetic shielding applications. Different precursors used for formation of activated carbon fibers are cellulosic based, polyacrylonitrile, pitch based, polyimides, phenolic resins and polyethylene based materials. However, researchers are inquest to find out different precursor materials and methods for reducing the cost of activated carbon fibers. In this context, use of acrylic fibrous waste together with a novel method of single stage carbonization and activation by using physical activation under the layer of charcoal was explored in this study. For converting precursor material into activated carbon fiber, firstly the material was stabilized then carbonized at high temperature. Heating rate, holding time and final pyrolysis temperature played very important role in getting good values of electrical conductivity (surface and volume conductivity), better electromagnetic shielding effectiveness (ESE) and surface area. In this work optimization of parameters for getting higher surface area and electrical conductivity has been achieved by varying number of steps, holding time (0, 30 and 60 minutes), heating rate (150, 300 and 450 C hr-1) and final pyrolysis temperature (800, 1000 and 1200 C). It was found that heating rate 300 C hr-1 , holding time zero minute, final pyrolysis temperature 1200 C with two step approach were the optimized parameters for getting good surface area and electrical conductivity. Later the waste of acrylic fibers was converted into a compact structure of non-woven web by using roller carding and needle punching machine. The non-woven web was transferred to high temperature furnace for stabilization and carbonization on parameters finalized. The yield and shrinkage of activated carbon webs prepared at different temperatures were determined by measuring weight and change in dimensions before and after carbonization respectively. Likewise the flexibility or stiffness and dusting properties of activated carbon webs was measured by following the principle of cantilever bending and by rubbing the web on taber wear and tester. The surface morphology and chemical characterization of activated carbon webs was measured by using Scanning electron microscopy (SEM), Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD) and Brunauer emmett teller (BET). The electrical conductivity and electromagnetic shielding effectiveness of AC webs was determined by using parallel electrode and concentric electrode and by using wave guide method and coaxial transmission line method. It showed that due to more orientation of chains, crystallinity, compactness of chains and higher crystalline content at higher temperature, the web prepared at high temperature gave better results of electrical conductivity and shielding effectiveness. The adsorption performance of AC web as well as iron impregnated AC web was checked by using methylene blue at different parameters like different concentrations of dye, adsorbent dosage, stirring speed and pH. Later the results were verified by using adsorption isotherms (Freundlich and Langmuir) and kinetics (pseudo 1st and 2nd order) of reaction. It was found that metal impregnation increased surface area hence more adsorption of dye molecules.

Keywords

akrylový, aktivní uhlík, stabilizace, karbonizace, grafitizace, adsorpce

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 4. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 14. 12. 2017
• Supervisor: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering