李俊紅(四川文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 四川 達(dá)州 635000)

引言

活性炭本身因其具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，因而在對(duì)廢水中的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物的吸附上有著十分顯著的作用，且活性炭對(duì)于污染物的吸附種類多樣，吸附能力突出，因而在水處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。但是伴隨著越來(lái)越多的高分子化合物以及其他化學(xué)類合成品的大量應(yīng)用，活性炭在污染物吸附中逐步乏力，因此，需要對(duì)活性炭進(jìn)行改性，以提高其對(duì)高分子化合物等污染物的親和力，增強(qiáng)污水處理效果。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也對(duì)活性炭的改性工作進(jìn)行了大量的研究，并取得了較好的成績(jī)。

一、活性炭改性的研究

活性炭?jī)?nèi)部具有極大的比表面積，其數(shù)值大約為每克500-1500平方米，且活性炭?jī)?nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，表面具有多種多樣的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，因而具有極強(qiáng)的吸附能力，能夠?qū)ξ鬯写蠖鄶?shù)污染物進(jìn)行高效吸附，吸附范圍很寬。但是近年來(lái)，隨著化學(xué)合成工業(yè)的進(jìn)步，越來(lái)越多的高分子化合物排入水體，造成了嚴(yán)重的水質(zhì)污染?；钚蕴繉?duì)于此類高分子化合物的吸附作用逐漸減弱，因此，活性炭改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?；钚蕴扛男约夹g(shù)是指通過(guò)化學(xué)或物理方法，對(duì)活性炭表面官能團(tuán)進(jìn)行改性或?qū)ζ鋬?nèi)部孔隙進(jìn)行改性，使其對(duì)高分子化合物能夠具有更高的吸附親和力以及更強(qiáng)的吸附容量和能力。對(duì)活性炭物化性質(zhì)的改變，主要包括表面官能團(tuán)、比表面積、孔隙率、孔徑等多種方面。

改性活性炭的研究目前多集中在不同的改性技術(shù)對(duì)于活性炭物化性質(zhì)的改變以及對(duì)于水相污染物處理能力的提高上，也是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)，目前已有的改性技術(shù)主要包括氧化法、還原法以及加載不同離子或化合物法。

二、活性炭改性方法研究

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)針對(duì)活性炭改性方法的研究主要集中在表面氧化、還原改性以及負(fù)載單一或多種離子及化合物的改性方法研究上。

1.表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性由于主要利用各種酸性溶液對(duì)其進(jìn)行改性處理，因而又叫做酸性改性方法。其主要原理是通過(guò)在酸性溶液中的處理，使得活性炭表面的酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量得到提高，改善活性炭的親水性和極性，彌補(bǔ)活性炭對(duì)于水溶液中極性物質(zhì)吸附能力低下的缺陷，使其在對(duì)極性和非極性物質(zhì)的吸附中都能夠有較好的表現(xiàn)。國(guó)際上許多學(xué)者對(duì)酸性改性方法及其性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究與探討。

A.GiL利用硝酸和過(guò)氧化氫的酸性溶液作為活性炭表面改性的氧化劑，對(duì)活性炭進(jìn)行不同溫度下的改性方法研究，并得出了采用硝酸溶液進(jìn)行表面氧化，在低溫時(shí)，表面氧化改性主要是改變了活性炭?jī)?nèi)部孔隙容積，從而改變其吸附能力；而在高溫達(dá)到攝氏90度時(shí)，酸性改性的活性炭?jī)?nèi)部中孔減少更多，取而代之的是更多數(shù)量的微小孔隙，更增加了其比表面積，吸附能力得到強(qiáng)化。而采用過(guò)氧化氫溶液對(duì)活性炭進(jìn)行氧化改性處理后，相較于硝酸做氧化劑得到的效果要有所不及，從而得出硝酸相比于過(guò)氧化氫溶液更適合作為活性炭改性的氧化劑。

學(xué)者M(jìn)oreno-Castilla等人利用過(guò)氧化氫、(NH4)2S2O4以及硝酸對(duì)活性炭進(jìn)行表面改性氧化處理，并利用比表面積、傅里葉紅外光譜分析、掃描電鏡分析等方法對(duì)其改性后性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，氧化改性后的活性炭極性明顯增加，且通過(guò)掃描發(fā)現(xiàn)，其表面官能團(tuán)數(shù)量較之未改性前有了很大提高，其吸附能力得到很大提升。Tsutsum i等學(xué)者則將經(jīng)過(guò)氧化改性后的活性炭置于空氣中，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，改性活性炭表面羥基數(shù)量明顯增加，親水性和極性有明顯提高，對(duì)水中有機(jī)物、無(wú)機(jī)物的吸附能力明顯增強(qiáng)。

國(guó)際上有許多學(xué)者將改性活性炭應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，并對(duì)此進(jìn)行了大量的工作。Morw ski等學(xué)者利用硝酸氧化改性后的活性炭對(duì)水中的污染物質(zhì)三鹵代甲烷進(jìn)行吸附，并與未改性前活性炭吸附能力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，改性后的活性炭對(duì)于三鹵代甲烷的吸附能力明顯高于改改性活性炭，吸附量大于125mg/g。Haydar等研究人員將硝酸混合次氯酸鈉溶液氧化改性后的活性炭用于對(duì)水中p-硝基苯酚的吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改性后的活性炭對(duì)于p-硝基苯酚的吸附能力有了明顯提高，這主要是由于含氧官能團(tuán)數(shù)量的增加，尤其是羧基這種官能團(tuán)數(shù)量的增加。但是由于改性后活性炭?jī)?nèi)部空隙組織變化，反而影響了其吸附容量，其吸附能力極值可以達(dá)到490mg/g以上。

國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者對(duì)活性炭改性進(jìn)行了大量研究。張巖等研究人員利用硝酸對(duì)活性炭進(jìn)行改性處理，并用于吸附水中的硝基苯，通過(guò)對(duì)比未改性前的活性炭吸附情況，發(fā)現(xiàn)改性后的活性炭吸附能力大大提高，對(duì)于水中硝基苯的去除率達(dá)到了99.8%以上，性能得到很大提高。

田生友采用與A.GiL學(xué)者相似的方法氧化活性炭，實(shí)現(xiàn)活性炭的改性處理，并用于吸附CS2，實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果，改性后活性炭吸附能力得到極大提高，提高幅度約為44%。此外，對(duì)于污水中重金屬離子的去除，氧化后的改性活性炭也能起到較好的去除效果。采用A.GiL學(xué)者制取的改性活性炭，對(duì)水中二價(jià)鉛離子可以進(jìn)行很好的去除；而利用Moreno-Castilla等人制備所得活性炭可以對(duì)水中三價(jià)鉻離子實(shí)現(xiàn)很好的去除。

2.還原改性

與表面氧化改性類似，還原改性主要是利用還原劑對(duì)活性炭進(jìn)行表面處理，其主要目的也是改變活性炭表面呈堿性的官能團(tuán)數(shù)量。與氧化改性不同之處在于，還原后的活性炭主要是為了提高對(duì)水溶液中的非極性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)更好的吸附效果。常用的還原劑有還原性氣體，如H2等，堿溶液，如NaOH溶液等。由于水體中非極性污染物多來(lái)源于染廠、農(nóng)藥、化工產(chǎn)品等，因此，還原處理的改性活性炭常用于受農(nóng)藥或化工污染的水體的污染物吸附。

Pereira等人在研究中發(fā)現(xiàn)，還原改性活性炭對(duì)于染廠排出的污染物的吸附主要是化學(xué)作用，即利用表面堿性官能團(tuán)與主要污染物發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的吸附。利用還原性氣體對(duì)活性炭實(shí)現(xiàn)改性時(shí)，須在高溫下進(jìn)行，利用H2對(duì)活性炭進(jìn)行改性處理，分析制備所得活性炭可知，活性炭?jī)?nèi)部比表面積得到很大提高，并應(yīng)用于多種農(nóng)藥的吸附后效果很好。

3.加載雜原子及化合物法

除上述氧化及還原改性方法外，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)活性炭加載雜原子及化合物進(jìn)行改性處理，加入的雜原子一般為氧、硫、氮、氯等，除此之外，還有金屬及非金屬原子和化合物，經(jīng)過(guò)該種方法改性后的活性炭一般用于吸附特定的污染物。

Monser利用沉降法，將四丁基銨用于改性活性炭處理，經(jīng)過(guò)處理后的活性炭對(duì)電鍍廢液中重金屬離子吸附能力較之活性炭吸附能力較強(qiáng)。Ramos等人利用鋁對(duì)活性炭進(jìn)行改性處理，得到的改性活性炭針對(duì)氟化物的吸附能力提高了3-5倍。

結(jié)論

改性活性炭解決了活性炭對(duì)越來(lái)越多類型的水體污染處理能力不足的現(xiàn)狀，在廢水處理方面具有越來(lái)越突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的活性炭改性技術(shù)進(jìn)行了較為全面的綜述，針對(duì)氧化改性、還原改性以及負(fù)載雜原子等方法獲得的改性活性炭及其應(yīng)用范圍以及應(yīng)用效果，本文也做了詳細(xì)的論述。本文對(duì)活性炭改性方法及應(yīng)用的研究能夠提供一定的理論和方向指導(dǎo)。

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