活性炭改性方法及其在大氣污染防治中的應用研究進展

張佩佩++肖厚榮++陳靜怡+舒雯+王翔

摘 要：活性炭（activated carbon，AC）由于來源廣泛，吸附效果好，被大量用于凈化污染的水體和大氣。為了進一步提高活性炭的吸附效果，國內外學者在活性炭的物理結構改造和表面化學官能團改性等方面進行了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果。該文綜述了活性炭主要的改性方法并總結了改性后的活性炭在大氣污染物治理中的應用，其中包括去除大氣中硫化物、氮氧化物、揮發性有機物、機動車尾氣、二惡英、氣溶膠的有害氣體。通過對活性炭在大氣治理中的應用總結，為學者進一步研究活性炭在環境治理方面的應用提供理論依據和參考。

關鍵詞：活性炭；改性；吸附；大氣污染；應用

中圖分類號 TQ424.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0099-05

Review of Modification Method of Activated Carbon and its Technology Progress and Development Trend

Zhang Peipei1，2 et al.

（1Department of Biological and Environmental Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China；2 Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Prevention and Ecological Restoration of Anhui Province，Hefei 230601，China）

Abstract：Activated carbon（AC）was widely used to depurate the waste water and poll-uted air due to its excellent adsorption effect and wide variety of sources. In order to improve the adsorption effect of activated carbon，experts all over the world have done a lot of research on the physical structure of activated carbon and the modification of chemical functional groups on surf-ace，and fruitful results have been achieved. The main modification methods of activated carbon and the application of modified activated carbon in the treatment of air pollutants are reviewed. Harmful gases like volatile organic compounds，dioxin and aerosol，motor vehicle exhaust，atmospheric desulfurization，denitrification are included. The application of activated carbon in atmospheric treatment are summarized，theoretical basis and reference for the further study of the application of activated carbon in environmental management are provided.

Key words：Activated carbon；Modification；Adsorption；Air pollution；Application

活性炭（activated carbon，AC）是世界上最受歡迎和廣泛使用的吸附劑之一，被大量應用于處理廢水、廢氣[1-3]。活性炭比表面積大，可達到500～1500m2/g，超級活性炭比表面積大甚至可以超過3000m2/g。活性炭主要由石墨微晶組成的無定型碳構成，不同于石墨平整的層面結構，活性炭的微晶層間交叉重疊，排列無序構成了活性炭多孔結構[4-5]。根據活性炭孔隙的尺寸可分為大孔活性炭，直徑大于100nm；中孔活性炭，孔隙直徑大約在2～100nm；微孔活性炭，孔隙直徑小于2nm。由于比表面積大，孔隙結構豐富造就了活性炭非凡的吸附能力[6-8]。活性炭中除了碳元素外還有少量的鹽類灰分及氫、氧、硫、氮等元素，在活性炭表面以化學官能團形式或原子形式存在，包括羧基、羰基、酚、內酯、醌等。使活性炭具備了各種吸附特性[9]。活性碳表面上的官能團主要來自活性炭前體、物理活化過程以及改性處理。其中對活性炭材料吸附特性貢獻最大是含氮官能團和含氧官能團。

活性炭的來源非常豐富，按照活性炭前體材質可分為木質活性炭、煤質活性炭、礦物質活性炭、果殼活性炭等[10]。由于活性炭獨特的吸附優勢、微孔分布廣、吸附容量大、吸附速度快等特點，以及穩定的物理化學性質、不溶于水或有機溶劑、耐高溫、機械強度高、耐酸堿性等特質被廣泛的應用在工業生產[11]、環境修復[12-13]、能源儲存[14]、生物醫藥[15]、制冷系統[16]等領域。

經濟的發展驅動化石燃料的大量使用，燃煤發電產出的煙氣、機動車尾氣、揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）的排放量逐年增加[17-18]。垃圾燃燒產生的煙塵、有害酸性氣體等嚴重影響環境大氣質量，對人體的呼吸道，心肺系統造成潛在的危害。近年來大氣污染的關注度逐年增高，國內外學者在利用活性炭吸附大氣污染物方向做了大量的工作[19-20]。本文從活性炭的應用角度介紹了活性炭的吸附機理，改性方法及在大氣污染防治方面的成果，同時分析了改性活性炭的未來發展趨勢。

1 活性炭改性方法

吸附性和催化性是活性炭重要的特質，活性炭的改性方法是以提高其吸附性能為目標，活性炭的比表面積和孔徑結構及分布狀況是影響活性炭物理吸附的主要因素，活性炭微孔表面官能團的活性則決定了活性炭的化學吸附性能。活性炭的構造如圖1。

圖1 活性炭的構造

1.1 物理改性法 通過高溫碳化或者微波加熱等方式可以去除制備活性炭材料中大部分水分、揮發組分、有機物，然后利用合適的氧化性氣體（水蒸氣、二氧化碳、氧氣）對活性進行改性處理，形成發達的微孔結構，增強活性炭的吸附性能。Izquierdo等[21]將富含碳的煤飛灰作為低成本吸附劑用于去除煙道氣中的SO2。煤飛灰中未燃燒的碳通過機械篩分和植物油聚集法來濃縮。碳濃縮物在900℃下用水蒸汽活化改性，在樣品上形成發達的孔隙結構。研究表面改性后的煤飛灰質活性炭對SO 2有良好的去除能力。Kazmierczak等[22]利用鋸木屑為原材料制備活性炭對空氣中的NO2和H2S進行了吸附試驗研究，結果表明，活性炭對NO2和H2S吸附能力取決于AC的活化溫度和吸附條件，選擇合適的鋸末的熱解和活化方法可以提高AC對NO2的吸附能力，在干燥和潮濕條件下NO2的吸附量分別達到54.7mg/g和28.8mg/g，H2S的吸附量為4.1mg/g和6.2mg/g。

1.2 化學改性法 活性炭表面的氮氧通常以酸堿官能團的形式存在，通過酸性氧化處理或堿性還原處理，增加或者消除某些基團和活性點位，從而大大改善了活性炭對特定物質的吸附能力。活性表面的酸堿官能團數目及親水性、選擇吸附性、催化性能等得到改善，從而增強活性炭的吸附效果。

1.2.1 表面酸性改性 通過酸的處理，活性炭表面的多孔結構被氧化，去除礦物元素的同時其表面酸性官能團活及親水性質得到改善。在眾多研究中硝酸和硫酸是使用最廣泛的。改性后的活性炭酸性官能團能有效吸附重金屬，原因是金屬離子傾向于與帶負電的酸性基團形成金屬絡合物，從而被吸附。Santiago等[23]通過用H2O2、（NH4）2S2O8、HNO3對兩種商業活性炭進行表面處理后，再利用HCl對AC進行改性，通過測量它們的比表面積，表面官能團的分布和對酚吸附能力來對活性炭性能進行表征。研究表明經過酸處理改性后的AC微孔表面產生內酯和羧基，以及少量的酚和羰基，從而增加活性炭的酸性位點。

1.2.2 表面堿性改性 Adam等[24]根據吸附動力學研究了活性炭改性前后對水溶液中丙環唑的吸附能力，利用HNO3、H2O2、NaOCl及NaOH進行氧化還原改性，產生具有不同表面化學性質的活性炭。實驗結果表明，用NaOH改性的活性碳在pH為6.5時吸附效果最佳，丙環唑的吸附在120min內達到平衡，并且吸附性能隨溫度增加而增加，吸附動力學遵循二階動力學模型。Sitthikhankaew等[25]研究了在30℃和550℃下，商業活性炭和堿性浸漬的活性炭對H2S的吸附效果。結果表明在高溫下，堿性改性活性炭吸附H2S效果明顯高于商業活性炭。在用KOH和Na2CO3浸漬的活性炭處理后，出口氣體處的H2S濃度小于30ppmv。

1.3 微波輻射改性法 與傳統加熱相比，微波加熱更均勻、快速、節能的加熱。微波能量從內向外加熱材料，不需要通過流體的熱對流，在微波加熱源和加熱材料之間沒有直接接觸的情況下提供快速加熱，易于控制加熱過程。此外，微波處理系統也相對緊湊，便攜，維護成本低。通過微波輻射改性后的活性炭表面變粗糙，呈凹凸狀，許多閉塞的孔被打開并向里延伸，有利于擴張活性炭的比表面積。Ondon等[26]研究了微波預處理對活性炭吸附能力的影響，研究表明用微波能量處理的顆粒活性炭（Granular activated carbon，GAC）具有較高的吸附能力。負載離子Ni2+的GAC的吸附能力高于負載Cu2+的活性炭。未處理的GAC具有較低的吸附能力。負載有Ni2+的活性炭比負載有Cu2+的GAC吸附更多的微波能量。Ling等[27]研究了微波加熱時間對以稻殼為基質制備超級電容器材料的影響。利用ZnCl2進行活化，在60W的微波功率進行微波加熱。結果顯示，加熱時間為20min時，多孔碳的平均孔徑從2.02nm增加到5.99nm，多孔碳的總孔體積從0.75cm3/g增加到2.07cm3/g，改性后的多孔碳具有中孔結構且官能團密度低、導電性能好，具有高達94.0%的電容保持率。結果表明，微波加熱是低成本制造高性能多孔碳超級電容器的有效方法。

1.4 等離子體改性法 等離子體氧化改性是在受控空氣或氧氣存在情況下，將AC暴露于高能等離子體的過程。在這個過程中，AC的物理結構變化較少，然而，AC的表面化學變化顯著。在等離子體氧化期間，由于氧自由基與位于石墨烯層的外圍表面處的碳原子劇烈反應，改善AC的表面官能團，導致表面酸性官能團的增加。Norikazu等[28]研究了低溫等離子體對活性炭粉末表面性能的影響，實驗中使用2.45GHz微波照射產生低溫等離子體對AC進行處理。結果表明，處理后的AC可在1min內制備2000m2/g以上比表面積。改性后的AC對氣體有機的吸附量增加。此外通過使用Boehm滴定法測定表面上的酸性官能團的量，觀察到內酯基團的增加和羧基的減少，表面酸性官能團也顯著增加。Zhang[29]等通過低溫氧等離子體對活性炭進行改性，考察改性后AC在模型柴油燃料中對二苯并噻吩（DBT）的吸附，結果表明，在用低溫氧等離子體氧化AC后，其酸性含氧基團的表面濃度大大增加，且改性ACS對DBT的吸附能力比原來的AC增加了49.1%，吸附效果顯著。目前等離子體用于活性炭改性的應用還不多，可能是等離子體設備和儀器較為昂貴，且后期需要花費一定的資金進行的設備維護。

1.5 負載改性法 在改性活性炭的研究中，負載金屬離子及金屬氧化物是常見的方法。Xiong等[30]通過同時將氧化鋯和氧化鐵負載到活性炭納米纖維（ACF-ZrFe）上來合成用于從水溶液中除去磷酸鹽的新型吸附劑。通過掃描電子顯微鏡（SEM），傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜和X射線光電子能譜（XPS）表征吸附劑。實驗表明在pH為4.0，溫度為25℃取得最大磷酸鹽吸附容量為26.3mg/g。Bandosz等[31]針對不同來源的活性炭（煤基、木基、椰子殼基碳），利用金屬氯化物和金屬氧化物進行浸漬，通過熱分析、氮吸附、電位滴定、X射線衍射和FTIR光譜研究負載前后AC對氨的吸附影響。結果表明改性后AC表面上存在的官能團的表面pH、強度、類型、數量等因素是影響氨吸附效率的關鍵。Tsoncheva等[32]選擇農業殘余物（葡萄籽、桃、杏和橄欖石）作為活性炭的母體。將獲得的活性炭用負載鐵進行改性，并在甲醇分解中作為催化劑進行測試。結果表明改性活性炭的催化活性和選擇吸附性受活性炭載體及反應介質的雙重影響，吸附效果與多孔基質活性炭中鐵的分散程度及位置密切相關。