活性炭表面改性控制技術(shù)研究進展

李萬忠，李彥秋

(1.濰坊醫(yī)學(xué)院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市第一中學(xué)，山東 濰坊 261205)

活性炭表面改性控制技術(shù)研究進展

李萬忠1*，李彥秋2

(1.濰坊醫(yī)學(xué)院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市第一中學(xué)，山東 濰坊 261205)

從物理、化學(xué)以及化學(xué)物理改性三方面，綜述了活性炭的定向控制技術(shù)，分析了國內(nèi)外研究成果與各方法特點，并對活性炭行業(yè)的未來發(fā)展進行展望。綜合利用、節(jié)能環(huán)保、降低成本和高性價比是未來活性炭改性技術(shù)的發(fā)展方向，期望為今后活性炭改性研究提供參考與依據(jù)。

活性炭；表面改性；控制技術(shù)

活性炭系多孔非極性吸附材料，廣泛用于化工、環(huán)保、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。隨國家科技發(fā)展與人民生活水平提高，對活性炭孔隙結(jié)構(gòu)與吸附特性提出更高要求。基于此，制備特定孔徑結(jié)構(gòu)的活性炭具有重大理論意義與應(yīng)用前景[1]。文章綜述近年來國內(nèi)外對活性炭表面改性控制研究概況，促進對不同性能活性炭開發(fā)利用，進一步拓展改性活性炭應(yīng)用領(lǐng)域。

1 基本概況

活性炭制備原料來源廣泛，主要有煤質(zhì)、果殼質(zhì)、木質(zhì)、塑料質(zhì)材料?；钚蕴慷嗫紫督Y(jié)構(gòu)有吸附性與催化性。按孔徑范圍分為微孔(< 2 nm)活性炭、中孔(2-50 nm)活性炭與大孔(> 50 nm)活性炭[2]。比表面積與孔容積影響活性炭吸附性能；表面化學(xué)性質(zhì)由官能團種類與數(shù)量、雜原子與化合物確定。普通活性炭存在孔隙結(jié)構(gòu)不理想、吸附選擇性差、表面官能團限制，需對活性炭表面進行物理、化學(xué)以及化學(xué)物理改性，生產(chǎn)具有特定官能團和改善孔隙結(jié)構(gòu)的專用活性炭。

2 表面改性控制

2.1 物理改性控制

活性炭物理改性系采用合理方法開孔、擴孔與創(chuàng)造新孔，改變活性炭比表面積，調(diào)整孔隙結(jié)構(gòu)及分布，提升活性炭物理吸附性能[3]。

2.1.1 水蒸汽活化法

水蒸汽活化溫度一般介于750～950℃，炭化溫度大約500℃?；罨瘎┘尤氡壤⒒罨瘻囟?、活化時間、蒸汽流量等影響活性炭比表面積與多孔結(jié)構(gòu)[4]。蒸汽或蒸汽與甲烷混合1000℃高溫處理活性炭，改性后活性炭微孔、中孔孔容相應(yīng)增加50%～70%、65%～90%[5]。

2.1.2 氣體活化法

由于二氧化碳分子大于水分子直徑，顆粒孔道內(nèi)擴散速度相對較慢，從而二氧化碳與微孔表面碳原子接近受到限制。以油棕石作為原料，在850℃條件下活化2 h，改變CO2流量，分別得到不同比表面積的活性炭，說明CO2流量對活性炭比表面積有重要影響[6]。

2.1.3 微波活化法

通過改變微波功率、頻率、時間、載氣等參數(shù)實現(xiàn)對活性炭物理結(jié)構(gòu)調(diào)整，體系溫度上升進一步改變孔隙結(jié)構(gòu)[7]，具有內(nèi)外加熱、速度快、高選擇性、易于控制等優(yōu)勢。以碳酸鉀與氯化鋅為活化劑，在微波功率為600W、輻照時間6 min、投料比為1：2時，微波法制備1～10 nm孔徑為主的核桃殼活性炭，比表面積與碘吸附值對雙酚A吸附優(yōu)于商業(yè)活性炭[8]。

2.2 化學(xué)改性控制

活性炭吸附污染物的種類和能力，主要取決于活性炭表面官能團酸堿性與極性。通過氧化、還原、負(fù)載等改性手段改變官能團種類與比例，改變活性炭的表面化學(xué)特性[9]。

2.2.1 氧化改性

調(diào)整合理的改性溫度，利用強氧化劑改變活性炭表面羧基、酚羥基、酯基、羰基等含量，提高對極性物質(zhì)吸附與親和力[10]。選擇氧化劑種類、濃度與用量，調(diào)控活性炭微孔、中孔、大孔比例，從而改變比表面積和孔容積[11]。常用氧化劑主要有硫酸、鹽酸、硝酸、氯酸、雙氧水等。以不同濃度硝酸對活性炭進行改性，發(fā)現(xiàn)活性炭處理后比表面積增大，含氧官能團總量增加，更利于去除金屬銅離子[12]。

2.2.2 還原改性

選擇還原劑對表面官能團處理，增強活性炭表面非極性，提高堿性官能團相對含量，提高活性炭還原力和對有機物、酸性氣體及非極性物質(zhì)吸附力[13]。高溫處理活性炭中通入氣體，堿性基團含量增加；氨水處理可得到含量豐富的含氮官能團。

經(jīng)氫氣處理的椰殼活性炭表面以堿性基團為主，對汞離子吸附力強，為工業(yè)廢水中重金屬離子高效吸附劑開發(fā)提供參考[14]。高溫氮氣、氨水還原改性椰殼活性炭，增加活性炭孔數(shù)量與比表面積，顯著提高活性炭非極性吸附性能[15]。

2.2.3 負(fù)載改性

基于活性炭穩(wěn)定性較好，表面可負(fù)載雜原子與化合物?；钚蕴勘回?fù)載液浸泡處理，金屬或化合物結(jié)合到表面，引起活性炭表面結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致反應(yīng)速率和自身吸附容量增加[16]。采用載鋁活性炭，考察負(fù)載條件、溶液pH、操作條件對水中氟離子吸附影響。載鋁活性炭單位當(dāng)量氧化鋁的氟離子吸附量是單一活性Al2O3吸附量40多倍[17]。

2.2.4 等離子體改性

在不改變活性炭界面物性情況下，影響孔隙結(jié)構(gòu)與表面官能團，改變表面化學(xué)性質(zhì)[18]，在活性炭改性中發(fā)揮重要作用。通過氧氮、CF4等離子體改性活性炭，表面引入含氧、氮與氟官能團，或通過電暈放電、輝光放電及微波放電等產(chǎn)生等離子體，提高活性炭表面能[19]。

2.3 化學(xué)物理改性控制

物理與化學(xué)活化相結(jié)合，即活化前對原料進行化學(xué)改性浸漬處理，提高原料活性并在內(nèi)部形成通道，再通氣體進行物理活化[20]。通過控制浸漬比與處理時間，制備特殊細(xì)孔分布的生物質(zhì)活性炭，同時材料表面獲得特殊官能團。以煤為原料，氫氧化鉀為化學(xué)活化劑，水蒸氣為物理活化劑。在活化溫度為700℃，堿漬比為0.5，活化時間為60 min，BET比表面積943 m2/g，總孔容積達(dá)0.31 cm3/g[21]。

3 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟與科技發(fā)展，對活性炭質(zhì)量要求愈來愈高。通過活性炭表面改性控制處理，結(jié)合被吸附目標(biāo)物性質(zhì)，賦予活性炭良好吸附性、催化性與選擇性，制備符合實際需要的專用活性炭。綜合利用、節(jié)能環(huán)保、降低成本和高性價比是未來活性炭改性技術(shù)的發(fā)展方向。

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(本文文獻(xiàn)格式：李萬忠，李彥秋.活性炭表面改性控制技術(shù)研究進展[J].山東化工，2016，45(24)：63，68.)

2016-10-09

山東省中醫(yī)藥科學(xué)技術(shù)研究項目(2015-227)

李萬忠(1970—)，山東濰坊人，副教授，主要從事中藥新劑型與新技術(shù)研究。

O647.2

A

1008-021X(2016)24-0063-01