活性炭表面改性控制技術研究進展

李萬忠，李彥秋

(1.濰坊醫學院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市第一中學，山東 濰坊 261205)

活性炭表面改性控制技術研究進展

李萬忠1*，李彥秋2

(1.濰坊醫學院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市第一中學，山東 濰坊 261205)

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

活性炭；表面改性；控制技術

活性炭系多孔非極性吸附材料，廣泛用于化工、環保、醫藥、食品等領域。隨國家科技發展與人民生活水平提高，對活性炭孔隙結構與吸附特性提出更高要求。基于此，制備特定孔徑結構的活性炭具有重大理論意義與應用前景[1]。文章綜述近年來國內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利用，進一步拓展改性活性炭應用領域。

1 基本概況

活性炭制備原料來源廣泛，主要有煤質、果殼質、木質、塑料質材料。活性炭多孔隙結構有吸附性與催化性。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；表面化學性質由官能團種類與數量、雜原子與化合物確定。普通活性炭存在孔隙結構不理想、吸附選擇性差、表面官能團限制，需對活性炭表面進行物理、化學以及化學物理改性，生產具有特定官能團和改善孔隙結構的專用活性炭。

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、擴孔與創造新孔，改變活性炭比表面積，調整孔隙結構及分布，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℃。活化劑加入比例、活化溫度、活化時間、蒸汽流量等影響活性炭比表面積與多孔結構[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、載氣等參數實現對活性炭物理結構調整，體系溫度上升進一步改變孔隙結構[7]，具有內外加熱、速度快、高選擇性、易于控制等優勢。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吸附優于商業活性炭[8]。

2.2 化學改性控制

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特性[9]。

2.2.1 氧化改性

調整合理的改性溫度，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，提高對極性物質吸附與親和力[10]。選擇氧化劑種類、濃度與用量，調控活性炭微孔、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，發現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，為工業廢水中重金屬離子高效吸附劑開發提供參考[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 負載改性

基于活性炭穩定性較好，表面可負載雜原子與化合物。活性炭被負載液浸泡處理，金屬或化合物結合到表面，引起活性炭表面結構變化，導致反應速率和自身吸附容量增加[16]。采用載鋁活性炭，考察負載條件、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，影響孔隙結構與表面官能團，改變表面化學性質[18]，在活性炭改性中發揮重要作用。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生等離子體，提高活性炭表面能[19]。

2.3 化學物理改性控制

物理與化學活化相結合，即活化前對原料進行化學改性浸漬處理，提高原料活性并在內部形成通道，再通氣體進行物理活化[20]。通過控制浸漬比與處理時間，制備特殊細孔分布的生物質活性炭，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0.31 cm3/g[21]。

3 結語

隨著國家經濟與科技發展，對活性炭質量要求愈來愈高。通過活性炭表面改性控制處理，結合被吸附目標物性質，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、節能環保、降低成本和高性價比是未來活性炭改性技術的發展方向。

[1] 劉雪梅，蔣劍春，孫 康.活性炭孔徑調控技術研究進展[J].安徽農業科學，2011，39(7)：3818-3820，3847.

[2] ALSLAIBI T M，ABUSTAN I，AHMAD M A，et al. A review：production of activated carbon from agricultural byproducts via conventional and microwave heating[J]. J Chem Technol Biotechnol，2013，88：1183-1190．

[3] 梁 霞，王學江．活性炭改性方法及其在水處理中的應用[J].水處理技術，2011(8)：1-6．

[4] Rambabu N，Azargohar R，Dalai A K，et al. Evaluation and comparison of enrichment efficiency of physical/chemical activations and functionalized activated carbons derived from fluid petroleum coke for environmental applications[J].Fuel Processing Technology，2013，106：501-510．

[5] RANGEL-MENDEZ J R，CANNON F S. Improved activated carbon by thermal treatment in methane and steam：Physicochemical influences on MIB sorption capacity[J].Carbon，2005， 43(3)：467-479．

[6] Lua A C，Guo J. Activated carbon prepared from oil palm stone by one- step CO2 activation for gaseous pollutant removal[J].Carbon，2000，38(7)：1089-1097．

[7] 李 波，邵瑞華，房 平，等. 污泥活性炭制備技術及其應用進展[J].河南科技，2011(9)：71．

[8] 康琴琴，王東田，李學艷，等. 微波法制備活性炭及去除水中雙酚A的研究[J].蘇州科技學院學報(工程技術版)，2011，24(2)：1-4．

[9] CHUN YANG YIN，MOHD KHEIREDDINE AROUA，WAN MOHD ASHRI WAN DAUD．Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from aqueous solutions[J].Separation and Purification Technology，2007，52：403-415．

[10] 吳光前，孫新元，張齊生. 活性炭表面氧化改性技術及其對吸附性能的影響[J].浙江農林大學學報，2011，28(6)：955-961．

[11] 宋 磊，陳家元，馮 利，等．中孔結構對活性炭吸附卷煙煙氣中有機物的影響[J].環境科學學報，2014，34(2)：349-354．

[12] 丁春生，彭 芳，黃 燕，等．硝酸改性活性炭的制備及其對Cu2+的吸附性能[J].金屬礦山，2011(10)： 135-138．

[13] 譚 心，劉 勃，洪 衛，等. 活性炭表面性質定向調控技術研究進展[J].現代化工，2016，36(4)：42-45.

[14] 王亮梅，姜維，朱淑飛，等．活性炭表面改性對水溶液中汞離子吸附行為的研究[J].水處理技術，2013，39(9)：41-44．

[15] 劉 斌，馬 葉，顧 潔，等．還原改性活性炭吸附染料廢水及其吸附動力學[J].科學技術與工程，2014，14(8)：90-93．

[16] 彭 怡，古昌紅，傅 敏. 活性炭改性的研究進展[J].重慶工商大學學報(自然科學版)， 2007，(6)：577-580．

[17] 諶任平，汪昆平，徐乾前. 活性炭負載鋁吸附去除水中氟離子的研究[J].三峽環境與生態，2013，35(4)：8-11．

[18] QU G Z，LI J，LIANG D L，et al．Surface modification of a granular activated carbon by dielectric barrier discharge plasma and its effects on pentachlorophenol adsorption[J].Journal of Electrostatics，2013，71：689-694．

[19] 陳孝云，林秀蘭，魏起華，等．活性炭表面化學改性及應用研究進展[J].科學技術與工程，2008(19)：5463-5467．

[20] 孫 艷. 活性炭制備現狀及其研究進展[J].中國資源綜合利用，2014，32(1)：44-46.

[21] 楊曉霞，張亞婷，楊伏生，等．物理-化學耦合活化法制煤基活性炭[J].煤炭轉化， 2009，32(2)：66-70．

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

2016-10-09

山東省中醫藥科學技術研究項目(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研究。

O647.2

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