活性炭的基本特質(zhì)及吸附性能

眾所周知，活性炭是一種優(yōu)良的吸附材料，對(duì)多數(shù)污染物均具有很好的吸附性能，是一種廣譜的吸附劑，其選擇性較差。其孔結(jié)構(gòu)中孔徑尺寸和數(shù)量直接影響用途和吸附效果。中孔活性炭因具有較大的孔徑結(jié)構(gòu)，更適合應(yīng)用于發(fā)酵液純化和大分子污染物的吸附;微孔活性炭因具有巨大的比表面積和較小的孔徑結(jié)構(gòu)，更適于作為電容器電極材料及甲醛、tian然氣等小分子的吸附材料;表面官能團(tuán)含量較多的活性炭更適合于對(duì)金屬離子的吸附。為了達(dá)到去掉特定污染物的目的，需對(duì)活性炭孔徑結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。對(duì)活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定向調(diào)控，一方面有助于豐富和完善活性炭理論體系，另一方面也有助于拓展活性炭的應(yīng)用范圍。之前關(guān)于活性炭的研究多集中于制造方法的開發(fā)，今后，活性炭孔徑結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)定向調(diào)控制備新型功能活性炭吸附材料，將成為研究的熱點(diǎn)。活性炭幾平可以用任何含炭材料來制造，中于煤炭資源儲(chǔ)量豐富、便官易得活性炭幾乎可以用任何含炭材料來制造，由于煤炭資源儲(chǔ)量豐富、便宜易得在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，煤炭資源是我國制備活性炭的主要原料。隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)境意識(shí)的提高，人們認(rèn)識(shí)到生物質(zhì)類秸稈這種可再有資源在未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位。生物質(zhì)類資源成本低廉，灰分含量低，具備有利的tian然結(jié)構(gòu)，易于形成發(fā)達(dá)的微孔，是制備活性炭的優(yōu)良材料，是今后環(huán)境友好材料新技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展方向，值得進(jìn)行深入研究。越來越多的研究者選用生物質(zhì)類可再有資源為原料制備活性炭，目前以生物質(zhì)類作為原料制活性炭的理論研究相對(duì)較少且不深入，在某劑作用下的碳化某化和成孔機(jī)理、制備工藝的影響因素、微孔介孔和大孔在制備中所需條件的差異性以及活性炭的功能化應(yīng)用等都缺少深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究，這極大地限制了其在活性炭制備方面的推廣和應(yīng)用。活性炭是一種具有類石墨微晶結(jié)構(gòu)的炭材料，是利用含碳原料經(jīng)過炭化某化后得到的產(chǎn)品，它具有巨大的比表面積、多孔的結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附能力。在1794年，木炭被應(yīng)用于英國蔗糖工業(yè)的食糖糖漿顏色脫除中，活性炭的快速發(fā)展主要在某次世界大戰(zhàn)時(shí)期，用于去空氣中的有毒氣體，商業(yè)活性炭出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)的30年代。盡管有其他吸附劑應(yīng)用于商業(yè)吸附中，如沸石、硅膠和活性氧化鋁等但是活性炭仍然是最廣泛使用的吸附劑?；钚蕴恐饕商荚亟M成，同時(shí)也含有氧、硫和氮等元素;碳原子決定了活性炭本身沒有極性，表面呈疏水性，碳表面容易被氧化劑氧化或者被還原劑還原，使其表面產(chǎn)生多種官能團(tuán)。在實(shí)際應(yīng)用中，活性炭具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電、傳熱以及化學(xué)穩(wěn)定性高和生物相容性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，除被廣泛用做吸附分離材料外，還可用做催化材料、儲(chǔ)氣材料、儲(chǔ)能材料和生物材料等。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，活性炭材料表現(xiàn)出巨大的市場潛力和廣泛的應(yīng)用前景，進(jìn)一步推動(dòng)了活

性炭的研究、開發(fā)和利用?；钚蕴康男再|(zhì)在很大程度上取決于其孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此，在活性炭制備過程中，對(duì)活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控具有非常大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?；钚蕴康幕咎鼗钚蕴渴怯梢咽奈⒕Ш臀词姆蔷抠|(zhì)構(gòu)成的基本炭質(zhì)，因此活性炭被認(rèn)為屬于微晶類的碳系，炭微晶與非晶炭質(zhì)相互連接構(gòu)成了活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)。由于活性炭微晶的排列是無規(guī)則的、紊亂的，各微晶之間形成大小、形狀不后的孔隙，這些孔隙有狹縫型、楔子型和籠子型等。因此微晶的形狀、大小與聚集的程度與活性炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)1972年純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(huì)(International Union of Pure and AppliedChemistry， IUPAC根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者杜比寧的劃分對(duì)活性炭的孔隙作了以下的分類活性炭表面化學(xué)性質(zhì)也是影響活性炭吸附性質(zhì)的重要因素12,31。表面原子與體相原子的環(huán)境不同，表面破壞了物相的連續(xù)性，表上存在的懸空鍵使表面具有活潑的化學(xué)性質(zhì)?；钚蕴勘砻娲嬖诓伙柡玩I及雜原子，構(gòu)成多種多樣的化學(xué)性質(zhì)同時(shí)使表面具有電性。因制備原料的差異，活性炭的組成元素雖不盡相同，但都維持在一定范圍內(nèi)。碳元素組成在90%以上。氧元素含量為2%~5%，其中一部分存在于灰分中，另一部分以羧基、羥基、內(nèi)酯基等官能團(tuán)形式存在活性炭表面，這部分氧元素使活性炭具有一定的親水性。當(dāng)原料中含有蛋白質(zhì)和硫化物時(shí)，會(huì)在活性炭中有微量的氮和硫的殘留，活性炭中的氮元素會(huì)提高活性炭的催化性能。另外，因制備材料和工藝的不同，活性炭中的灰分含量有顯著的差異，一般木質(zhì)素類活性炭灰分的含量較少，在5%以下。除比表面積和孔結(jié)構(gòu)外，活性炭的吸附特性還受到表面化學(xué)性質(zhì)的影響，而活性炭的表面性質(zhì)主要是由其表面存在的化學(xué)官能團(tuán)和雜原子所決定的。因此，研究活性炭的表面官能團(tuán)，對(duì)深入了解其吸附行為有很大的幫助。研究表明，在含氧基團(tuán)中，酸性官能團(tuán)易吸附具有極性的物質(zhì)，堿性官能團(tuán)則易吸附極性弱或者是非極性的物質(zhì)。根據(jù)吸附質(zhì)的特點(diǎn)，通過改變活性炭表面所需官能團(tuán)的種類和數(shù)量，使其具有更強(qiáng)大、更全面的吸附性能。活性炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，對(duì)多數(shù)污染物具有較好的吸附性能。作為一種廣譜的吸附材料，活性炭的選擇性較差，影響了其對(duì)特定污染物的吸附性能。針對(duì)除污染物的類型對(duì)活性炭進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面改性，可有效提高其對(duì)某種物質(zhì)的選擇性吸附效果。因此，對(duì)活性炭的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控是非常有必要的活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)改性是指通過一定的方法改變其表面的官能團(tuán)種類和數(shù)量，表面的雜原子及其周邊氛圍的構(gòu)造，使吸附過程中的活性位點(diǎn)增多，從而控制其親水/疏水性能以及提高與被吸附物的結(jié)合能力。活性炭的改性方法有很多種，主要包括氧化改性、還原改性、負(fù)載改性和電化學(xué)改性等，也可將不同的改性方法結(jié)合起來對(duì)活性炭進(jìn)行改性，從而達(dá)到良好的改性效果。在使用過程中，需根據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)有日的性的選擇較為合適的改性方法。