活性炭的表面改性研究及进展

eqemecagi

【摘要】活性炭是经过高温高压加工处理，形成的一种无定形碳素材料。这种碳素材料为多孔固体，孔隙结构发达，其表面积每克约有500-1500m2。活性炭对于溶液、气体中的无机或有机物质以及胶体颗粒，都有很好的吸附性。随着科技的不断进步，对活性炭进行表面改性，使活性炭更加功能化已经成为了一个必然的发展趋势。近几年来，国内外的研究学者在活性炭材料改性方面有了进一步的发展，在此基础之上，他们还提出了活性炭表面改性技术的发展方向和趋势。
【关键词】活性炭；改性；发展趋势；前景
与树脂、硅胶等吸附材料相比，活性炭因其孔隙结构发达、表面积大的特点，受到了更多人的青睐。由此，活性炭的应用领域也就随即扩大。在科技、经济、社会不断快速向前发展的今天，对于活性炭的要求也相应的有所提高。在“高吸附、多功能、高强度”的基本要求下，出现了专用炭质吸附材料，而且它的需求市场也在不断的增大。在目前的情况下，传统工艺生产出来的活性炭一般满足一般需求，对于有特殊需求的订单，传统工艺无从下手。针对这种现象，对活性炭表面进行表面改性，成为了解决活性炭应用的有效手段。
一、活性炭的结构与特性
第一、活性炭的孔隙结构
活性炭的孔隙结构指的就是孔容、孔径分布以及孔的形状。因为活性炭的孔隙结构非常复杂，孔径分布范围广，形状也是多种多样的，所以，活性炭的吸附能力要强大许多。活性炭本身具有吸附性和催化性，这二者之间的转化也全依赖于它自身的多孔隙结构。活性炭的孔隙众多，而且每一种空隙都以各自独特的功能：在活性炭中，微孔（直径小于2nm）数量很大，且比表面积巨大，活性炭将会呈现它强大的吸附性；中孔（又被称之为介孔，直径在2～50nm之间）可用于负载触媒及化学药剂的脱味剂；活性炭的大孔（直径大于50nm），通过在其中繁殖微生物，可以做到无机碳材料发挥出生物质的功效。这三种空隙都具有吸附的特性，但是起主要作用的是微孔，所以说，活性炭的吸附容量的大小，主要取决于微孔的数量有多少。
第二、活性炭的表面化学性质
影响活性炭吸附性的不只是活性炭本身的孔隙结构，其表面的化学性质在一定程度上也决定了活性炭本身的吸附能力大小。活性炭表面的化学性质主要是由活性炭表面官能团的种类与数量、表面杂原子和化合物来确定的。不同的官能团、杂原子、及化合物，他们的吸附系也有着很大的区别。活性炭的表面化学性质差异，活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化性等也会产生相应的变化。在制备活性炭的过程中，灰分与其他原子共同存在，导致其自身出现基本结构缺陷，氧分子和杂原子在高温碳化时附着在这些缺陷之上，形成了氧化官能团、中性官能团及碱性官能团，在这些官能团的互相作用下，活性炭给人们展现了了不同的吸附性能。
二、活性炭表面改性
活性炭通过表面的化学性质，也就是改变表面的官能团及周边氛围从而使活性炭本身的吸附性质也发生改变。活性炭的表面化学性质的改变，可以通过表面氧化改性、还原改性，还有负载杂原子和化合物等进行。
第一、活性炭表面氧化改性
活性炭的表面氧化改性，主要工作原理就是使用合适的氧化剂，在温度适当的情况下对活性炭表面的官能团进行氧化处理，以此来提高活性炭表面官能团的含氧酸基团的数量。这种技术现今为止，氧化剂多采用HNO3、H2O2、H2SO4和HCIO。
在目前，国内外对于活性炭表面氧化性改造的研究表明，经过HNO3等氧化剂进行氧化改性后，活性炭表面的含氧官能团的数量明显增加，在进行净化时，对于亚硝酸盐的吸附性明显增强。
第二、活性炭表面还原改性
表面还原改性是通过还原剂（一般选择氢气或氮气等惰性气体）在适当温度下对活性炭进行表面还原处理，以提高活性炭表面的碱基官能团的数量，增强对非极性物质的吸附能力。
活性炭表面的还原改性，主要是针对含有SO2、CO2、CO以及AU3+这些非极性物质，这些物质具有一定的疏水性，通过还原改性增加活性炭表面的碱基官能团，提高对他们的吸附能力。
第三、活性炭表面负载杂原子和化合物的改性
负载杂原子和化合物的化学改性，是通过液相沉积的方法，在活性炭表面引入特定的杂原子和化合物，利用这些物质与吸附质之间的结合作用，提高活性炭的吸附性能。
工业电镀废水中，含有铜、铬、锌以及氰化物等，这些物质对人体机能有着极大的伤害。在过滤这些物质时，首选是活性炭。但是传统工艺生产出来的活性炭对这些物质的吸附性不是很强，所以通过对活性炭表面负载杂原子和化合物的改性，有效地提高了对重金属及氰化物的过滤吸附能力，不仅降低了对人体的损害，也保护了生态环境。
结束语
活性炭的传统生产工艺技术含量低、且生产的品种少、功能化品质也不高，这些对于我国的活性炭市场有着极大的制约性。在当前，活性炭卓越的性能已经被社会广泛的认可。为了能使得这种清洁、绿色的环保吸附材料能得到广泛应用，应该加大对它的研究力度，给予大力支持，使得活性炭能应用到各行各业。对活性炭表面改性处理，使得活性炭能够适应更多更复杂的工作环境。
随着人们对环境保护的重视和改性技术的不断发展，相信改性活性炭在环境保护领域会得到更广泛的应用。
参考文献
[1]解强.炭化过程控制及煤基活性炭制备的研究[D].徐州：中同矿业大学博士学位论文，1996.
[2]孟庆函，李开喜，凌立成.碳基双电层电容器的结构机理及研究进展[J].化学通报，201l（11）.
[3]朱瑶，赵振国.界面化学基础[M].北京：化学工业出版，1996.
[4]黄彪，吴新华，卓方银，周茂福，王正旺.粒状活性炭表面涂层技术的研究[J].林业科学，1997，33（6）.
[5]周建斌，高尚愚，胡成文，左宋林，刘启明.气相吸附用活性炭成型物的研究[J].南京林业大学学报，1999，23（6）.
[6]张意颖，张文辉，张学军.活性炭研究与新产品开发现状[J].洁净煤技术，1999，5（3）.
[7]（日）炭素材料学会.高尚愚，陈维译.活性炭基础与应用[M].北京：中国林业出版社，1984.
[8]李昌贤，秦廷武.煤质活性炭[M].北京：煤炭工业出版丰十，1993
[9]范延臻，王宝贞，王琳，余敏.改性活性炭对有机物的吸附性能[J].环境化学，2001，20（5）.
[10]范延臻，王宝贞.活性炭表面化学[J].煤炭转化，2000，23（4）：26—3O.
[11]郑传宁，宾淮湘.活性炭一生物处理法机理的探讨[J].合肥工业大学学报（自然科学版），1998，21（6）.
[12]何春红，郑嘉明，阮湘泉.活性炭在烟气脱硫中的应用[J].化学工业与工程，2002，29（1）.
[13]廖新峰.负载添加剂型活性炭脱有机硫的评价[J].环境污染与防治，1999（4）.
[14]杨全红，郑经堂，刘平光等.处理气氛对 FeSO4-ACF结构及吸附性能的影响[J].炭素技术，1997（3）.