活性炭的再生及改性進展研究

摘要：活性炭由于具有多孔，比表面積大，發達的孔隙結構等特點而使其具有優良的吸附性能，已經被廣泛應用于生活的各個方面。本文介紹了活性炭的制法與性能參數以及其再生方面存在的問題，對近年來活性炭改性上的一些研究展開論述，并對其應用前景作展望。

關鍵詞：活性炭;活性炭再生;活性炭改性

中圖分類號：X13 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）06-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.06.048

Abstract：Activated carbon has excellent adsorption properties due to its porous，large specific surface area and developed pore structure，and has been widely used in all aspects of life.In this paperthe preparation，performance parameters and regeneration problems of activated carbon are introduced.Some studies on modification of activated carbon in recent years are discussed，and its application prospects are prospected.

Key words：Active charcoal;Activated carbon regeneration;Activated carbon modification

活性炭（Active charcoal），亦稱活性碳（Active carbon）、活化炭（Activated charcoal;Activated char）或活化碳（Activated carbon），是黑色粉末狀或顆粒狀的碳物質。它具有種多孔、堆積密度低、比表面積大等特點，是做過濾器的主要物料。

1 活性炭制法

目前活性炭主要有兩種制法，物理活化與化學活化。物理活化通常需要兩個步驟：首先，在600-900℃范圍內的溫度下，惰性氣中（氬氣或氮氣等）對含碳物質碳化;然后將碳化材料暴露于溫度高于250°C（通常在600-1200°C的溫度范圍內）的氧化氣體中，如二氧化碳或水蒸汽，進行活化。化學活化是首先將原材料用酸，強堿或鹽[1]，如磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈣和氯化鋅等溶液浸漬，然后再在較低溫度（450-900℃）下活化。化學活化優于物理活化，因為活化所需溫度較低，時間較短。

2 活性炭性能

活性炭有粉狀（粒徑為10～50μm）和顆粒狀（粒徑為0.4～2.4mm）兩種，通性是多孔，比表面積大。其內部的很多微孔區域，相隔僅幾納米左右。這些微孔為發生吸附提供了極好條件。活性炭的表面積通常在每克500～1700m3[2]。由于其可以非常好地吸附碘，碘容量（mg·g-1）（ASTM D28標準方法測試）可用作總表面積的指標。另外，活性炭主要性能參數是吸附速率與吸附容量。吸附速率是指單位重量活性炭在單位時間內能吸附的溶質的量。吸附容量是指單位重量活性炭達到吸附飽和時能所能吸附的溶質的量，和原料、制造過程及再生方法有關。一定溫度下，達到吸附平衡時，單位重量活性炭所吸附的溶質的量常用弗羅因德利希（Freundlich）經驗公式表示：

其中Γ通常指每克吸附劑吸附溶質的物質的量，單位為mol·g-1;x為吸附溶質的物質的量，單位為mol;m為吸附劑的質量，單位為g;C為平衡濃度，單位為mol·g-1;k，n為經驗常數，由溫度、溶劑、吸附質及吸附劑的性質決定（n一般在0.1～0.5之間）。

3 活性炭的再生

活性炭的再生是指活性炭吸附容量耗盡，成為飽和活性炭后，利用一定的方法恢復其吸附能力的過程。世界上最大的活性炭再生中心位于比利時Roeselare。工業過程中最常用的再生技術是熱再生[3]，再生過程通常遵循三個步驟[4]：

（1）烘干：將吸附劑在約105°C下烘干，以去除活性炭上的可揮發成分;（2）高溫炭化：在惰性氣體中高溫解吸和分解（500-900°C），以去除活性炭上吸附的一部分有機物;（3）高溫活化：在高溫（800°C左右）下通過非氧化性氣體（水蒸汽或二氧化碳）進行殘余有機物氣化，去除前一階段多孔結構中形成的焦化有機殘留物，并重新恢復多孔碳結構，再生其原始表面特性。

每次熱再生約損耗5%～10%的吸附容量，導致吸附能力的損失[5]。熱再生是一個高能量過程，其所需的高溫環境造成了能源上的浪費，商業成本也非常昂貴。熱再生高能量、高成本的性質促使人們研究替代熱再生的方法以減少此類過程對環境影響。目前在工業中已經采用了熱再生系統的一些替代物，例如化學和溶劑再生[6]，微生物再生[7]，電化學再生[8]，超聲波再生[9]，濕空氣氧化[10]等。

4 活性炭改性研究

傳統活性炭的表面是活性的，能夠被大氣中的氧氣和氧氣等離子、蒸汽、二氧化碳和臭氧或者各種氧化試劑[11]，如HNO3、H2O2、KMnO4等氧化。活性炭的改性就是通過在活性炭微孔的表面上形成大量的堿性或酸性基團來增加其吸附能力。

活性炭的吸附量不高以及再生問題使得對活性炭進行改性就顯得迫在眉睫了。韓嚴和等[12]從活性炭表面結構特性、表面化學性質和電化學性質3個方面敘述了國內外在活性炭改性方面的研究進展;解強等[13]研究了采用低溫氧、氮等離子體改性活性炭后其表面官能團種類與數量的變化規律;楊嬌萍等[14]用FeCl3作為化學添加劑、CO2為活化劑，采用化學-物理混合活化法對溧陽活性炭（LAC）進行改性，研究了改性后活性炭比表面積、總孔容、孔徑分布與電化學性能的變化;金璇等[15]綜述了國內外學者對氧化改性和還原改性活性炭吸附有機物的研究進展;姚麗群等[16]研究了活性炭表面氧化改性后對有硫化物吸附的影響;劉宏燕[17]討論了氧化改性活性炭對鉛離子吸附性能的影響;高峰等[18]研究了硝化-還原法對高比表面積活性炭改性后對CO2的吸附性能的影響;佟莉等[19]發現用硝酸氧化法對活性炭表面處理后，改性活性炭能有效脫除單質汞;陳玉蓮等[20]研究了經過不同的酸堿處理后改性活性炭對甲苯吸附性能的變化;朱燕等[21]通過實驗發現，利用0.02%的NaOH溶液對活性炭改性后再利用3%的氨水對活性炭二次改性，最終甲醛去除率可達94.38%;高雯雯等[22]探討了采用鈰溶液浸漬法改性活性炭前后對苯酚的去除率。

5 結語

活性炭可以吸附水中眾多有機物和金屬離子，但在通常對特定有機物的吸附量很小[23]。從吸附模式上講，Langmuir 和Freundlich 模式對于金屬離子和有機物都是經典的經驗模式，無法從本質上反應吸附過程。目前對于動態吸附模式和機理的研究相對缺乏，這方面應進行深入的研究，同時在NOM 背景下的吸附研究也需進一步展開。

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收稿日期：2019-03-07

作者簡介：段東平（1984-），男，漢族，碩士研究生，中級工程師，研究方向為資源環境。