活性炭吸附的应用分析

由于活性炭*的吸附性能，活性炭已经广泛应用于生活的各个方面，活性炭是以木屑等含碳物为原料，经碳化和活化制成。主要有粉状和颗粒状两种，多孔，比表面积大，极其发达的孔隙结构，这都是活性炭优良的吸附性能的直接原因。
目前活性炭吸附的应用有很多，本文仅就其在水处理、废气吸收、储氢以及对活性炭的改性上的一些应用展开一些论述，并对其应用前景作下展望。
1、活性炭吸附的一般性机理
1.1 物理结构
活性炭的吸附性能主要是与其*的物理性质有关。活性炭孔壁的总表面积一般高达500 一1700m2/g，与其他吸附材料相比，具有小微孔(半径为<0.02nm)特别发达的特征，这也是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。其中小微孔决定了活性炭的总比表面积；过渡孔(半径为0.02 一1nm)起着重要的通道作用；大微孔(半径为1—100nm)则是该吸附材料微观体系的人口。
1.2 化学性能
活性炭的表面有丰富的官能团，一般可分为含氧官能团和含氮官能团，这些官能团赋予了活性炭*的化学性能，能与多种物质进行结合。其中含氧官能团主要有酚羟基、羧基、羰基、内酯基、嘧啶等；含氮官能团有酰胺、酰亚胺、乳胺基、类毗咯基等。
2、活性炭吸附的应用研究
2.1 活性炭吸附在水处理方面的应用
活性炭吸附在水处理方面的应用。近年来，内分泌干扰物的水环境污染问题已经引起了人们的广泛关注，特别是在作为饮用水源的地表水中也检测到了大量的内分泌干扰物质(EDCs)，主要包括天然的与合成的固醇类激素、植物雌激素、杀虫剂、表面活性剂以及多氯联苯等物，为了解决此问题，考察了两种不同表面化学性质粉末活性炭(WP及其改性炭WPN)对松花江原水和砂滤水中六种加标酚类内分泌干扰物的去除情况。试验结果表明，活性炭对六种目标物的吸附能力与其憎水性有关(如图1所示)，依次为：壬基酚>雌激素酮>乙烯雌酚>乙炔基雌二醇>雌二醇>双酚A；活性炭吸附降低了水中的TOC与UV254值，同时也去除了水中大部分的内分泌干扰物，WP和WPN两种活性炭对江水和砂滤水中六种目标物的去除率分别为26.82％-85.97％和74.62％-96.64％，其中WPN的吸附效果相对较好。试验结果还表明，活性炭对酚类内分泌干扰物的吸附能力受水中有机物与活性炭物化性质的影响较大，通过一定的改性处理获得孔结构与表面化学性质均有利于去除水中有机污染物的活性炭，并将其用于给水的深度处理，对于提高活性炭的吸附能力、使用寿命及确保出水水质安全都具有重要意义。研究了颗粒活性炭对黄磷化工渗滤液中有机物的吸附容量、吸附热力学和动力学。结果表明：颗粒活性炭对渗滤液中有机物的吸附容量几乎不受渗滤液pH 值的影响，吸附45min 后基本达到平衡。
河水污染问题日趋严重，净化河水也成为亟待解决的问题。采用活性炭吸附净化受污染河水，考察了不同吸附时间及投量下的净化效果，同时结合三维荧光光谱（ＥＥＭ）技术探讨了河水中溶解性有机质（ＤＯＭ）组分的变化。结果发现：活性炭对天然有机物的吸附速率较快，在15～20min内即对COD、UV254和UV410的去除效果达到*；当活性炭投量为0.5ｍg/mL 时，对试验水体中有机物的吸附效果基本达到*状态。
然而仅仅用活性炭处理污染源在某些场合并没有很好的效果，此时就应该考虑使用两种或几种方法结合使用，例如：将膜处理和活性炭吸附结合起来使用，并得到了很好的效果。他们发现用传统的工艺并不能有效的除去水中的药物和个人护理品（PPCPs）的污染。膜处理技术由于空间排斥作用，能有效截留比膜孔小的PPCPs；疏水性相互作用和静电排斥也会影响PPCPs 的去除，再结合活性炭的吸附作用进行处理，基本可以达到目标。

图1 活性炭对加标江水中内分泌干扰物质（EDCs）的处理效果
通过以上的研究，我们发现，活性炭吸附在水处理上的应用已经日趋成熟，具有极大的实用价值，但单单只靠运用活性炭吸附来达到很好的效果已经很难，这就需要其他方法的配合使用。
2.2 活性炭吸附在废气吸收上的应用
废气zui常见的也zui熟悉的就是二氧化碳，天上飞的，地上跑的，无一不在向大气中排放着二氧化碳，而煤等石化燃料的消耗是zui主要的原因，这也驱使研究者寻找一种可靠的回收二氧化碳的方法。而分离和回收二氧化碳zui常用的方法是活性炭吸附法。活性炭作为一种优良的吸附分离材料，具有比表面积大、孔结构发达、化学性质稳定、耐酸耐碱等特点。活性炭优良的吸附性能主要取决于其特殊的孔结构，由于存在大量的微孔和中孔，使活性炭具备高的比表面积和吸附容量。制备条件的不同使得活性炭孔结构具有可调性。
当今工业的高速发展，必然会导致各种废气的排放量的增加。尤其是化工行业，比如涂料、树脂、皮革、印刷等，会排放大量的有机废气，虽然治理有机废气，研究人员已经有了一些卓有成效的控制技术，比如热破坏法、冷凝法等。但吸附法的应用。又由于活性炭本身的特性，其又是zui常用的吸附剂。
2.3 活性炭吸附在储氢上的应用
氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。由于氢的广阔的应用前景，寻找一种储氢方式也成为必然。
经过几年的发展与研究，目前储氢方式主要有高压储氢、液态储氢、金属化合物储氢、有机物储氢和吸附储氢5种。目前用于H2吸附储存的材料主要有：分子筛、碳纳米管、活性炭纤维、石墨、纳米碳纤维、活性炭。H2在分子筛与活性炭上的吸附性能的研究结果表明，活性炭吸附储存H2的性能远优于分子筛吸附剂，且活性炭纤维吸附储存H2的能力不如活性炭吸附剂。活性炭与碳纳米管均表现出高的吸附储存H2的能力。活性炭用作H2吸附剂的特点在于：吸附容量大、抗酸碱性能好、解吸容易、对少数杂质气体不敏感、热温性能好，在较高温度下解吸再生其晶体结构不发生变化，经多次吸附和解吸操作后仍能保持原有(重复使用性能好)。由于活性炭具有复杂的多孔结构及大比表面积，在低温下表现出良好的H2吸附特性，并受到人们高度重视。
研究了椰壳基活性炭微孔结构和化学改性对其储氢能力的影响。结果表明，物理活化的椰壳基活性炭用HF 或NH3·H2O 处理后可提高活性炭的吸氢能力，用HNO3处理后吸氢能力几乎没有什么变化，而用H3PO4 处理后吸氢能力却有明显的下降。活性炭的比表面积、孔径分布和表面性质都会影响其吸附氢气的能力，其中，比表面积是zui主要的影响因素。
要更好的了解活性炭储氢，就要对其储氢特性进行研究。对活性炭在低温下的平衡储氢特性进行了分析，结果表明，氢分子活性炭吸附表面的zui大密度小于液氢表面密度且随温度升高而减小，氢分子间作用能在较大比表面积和微孔容积的活性炭中随表面遮盖率和温度的变化更为剧烈（如图2 所示，NAC 等为5 种活性炭），须根据氢分子特性设计活性炭以提高其储氢性能。对活性炭床导热系数及充气速度影响低温储氢热效应的研究结果表明，在一定范围内活性炭床的有效热导率越大，氢气的吸附量也随之增大，提高了低温吸附的储氢容量。且提高热导率可使储氢容量更快地到达平衡，从而加快储气速度。提高充气速度并不能使储氢量增加，但储气速度加快。

图2 在极低表面遮盖率区域、90K时，吸附在活性炭上的氢分子间作用能随表面遮盖率之间的关系
2.4 改性活性炭的研究与应用
由于活性炭的吸附量不高以及再生问题，所以对活性炭进行改性就显得迫在眉睫了。对电场强化活性炭吸附邻苯二胺的进行了研究，以及pH、邻苯二胺浓度和离子强度对电场强化活性炭吸附的影响。结果表明，随外加电场的增大，活性炭的吸附量急剧增大，但当电场增大到一定程度时，吸附量的增加趋缓并趋近于平衡。随邻苯二胺浓度的增大，活性炭的吸附量也随之增加；当pＨ和离子强度增大时，邻苯二胺的溶解度下降，活性炭的吸附量增大。
将电场强化活性炭吸附和电化学再生有机结合对处理废水有一定的实用价值。使用浓HN03分别在常温和沸腾状态下对活性炭进行改性，用FTIR和N2吸附法对活性炭进行表面分析。研究结果表明：活性炭经常温浓HN03改性后，比表面积和孔容都明显提高，而经沸腾浓HN03改性后，比表面积和孔容却明显减小，但2种改性方式都使活性炭表面产生更多的含氧基团。研究了氧化、还原改性对活性炭吸附草甘膦的影响（如图3 所示各活性炭改性后的吸附等温线），结果表明氧化改性使活性炭比表面积增大；还原改性使活性炭比表面积减小。还原阶段使先前氧化阶段中产生的孔道以及原有孔道均发生塌陷，导致还原改性活性炭比表面积减小；在静态吸附的条件下，氧化改性和还原改性对草甘膦的吸附均为吸热反应。还原改性在活性炭表明产生的还原性官能团有利于活性炭对草甘膦的吸附，而氧化改性产生的氧化性官能团并不利于活性炭对草甘膦的吸附。

图3 318K下各改性活性炭的吸附等温线
3、活性炭吸附的应用与研究展望
活性炭可以吸附水中众多的金属离子和有机物，但在一定条件下对特定的有机物的吸附量很小。活性炭优良的吸附性能源自于其巨大的表面积、发达的内部微孔结构和丰富的表面官能团。从吸附模式上讲，Langmuir和Freundlich模式对于金属离子和有机物都是经典的经验模式，对于金属离子表面络合模式更能表示变化条件下的吸附行为。但是所有的吸附模式都是特定条件下的模拟，不具备实际的物理意义，无法从本质上反应吸附过程。活性炭对吸附质的主要作用有：离子交换作用、静电作用、扩散力、供-受电子交换作用。pH通过改变吸附质和活性炭表面官能团的电离状态而改变活性炭与吸附质之间静电作用的大小和性质，使活性炭的吸附量增加或减少。当给定活性炭的性质、吸附质的性质和溶液条件可以通过现有机理对水溶的吸附行为进行推测。目前对于动态吸附模式和机理的研究相对缺乏，这方面应进行深入的研究，同时在NOM背景下的吸附研究也需进一步展开。以后的研究方向应该是活性炭改性方面，的性能优良的改性活性炭将成为热点。