活性炭的吸附應(yīng)用

楊麗娟，王 輝，李小敏

(伊犁師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 伊寧 835000)

1 引言

活性炭是一種可作為實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中優(yōu)良的吸附劑和催化劑的多孔材料，因?yàn)樗鼉?yōu)秀的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，再加上比表面積較大，特殊選擇性吸附性能，被人們廣泛地應(yīng)用于環(huán)境行業(yè)和化工行業(yè)的生產(chǎn)、凈化、精制和處理廢棄產(chǎn)物等過(guò)程，不僅能除去許多種僅僅含有少量的且有毒有害的化學(xué)物質(zhì)，也可以回收獲得可以重復(fù)利用的物質(zhì)。本文簡(jiǎn)要介紹了活性炭吸附技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，以期對(duì)環(huán)保治污行業(yè)有一定的借鑒意義。

2 氣相吸附

2.1 家庭空氣吸附

活性炭可吸附的氣體種類(lèi)非常多、吸附速度較快，對(duì)于家庭凈化空氣和去除臭味非常有效。家庭空氣污染主要包括建筑材料漆和膠中的有機(jī)物氣體，以及廚房中產(chǎn)生的油煙，可以用活性炭吸附。活性炭有較強(qiáng)的吸附作用，所以常常被用于家庭裝修后和公共場(chǎng)所等地的空氣凈化。

孫康等[1]以苯胺為摻氮基，制備的摻氮活性炭的氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.05%，其各項(xiàng)數(shù)值如表1。

表1 是否摻氮活性炭的比較

從表1可知摻氮活性炭的總孔容積和中孔容積全部下降，但是微孔率卻有所提高，有利于氣相吸附。摻氮活性炭的甲醛吸附量是原來(lái)活性炭甲醛吸附量是市售活性炭的6倍。

2.2 工業(yè)廢氣處理

工業(yè)廢氣處理所涉及到的研究主要包括兩方面，一是硫氧化合物、硫氫化合物等硫化物廢氣，二是氮氧化合物、氮?dú)浠衔锏鹊飶U氣。活性炭吸附是干法過(guò)程，過(guò)程中不消耗水，一般不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，而且脫除出來(lái)的SO2等還可以加工成多種產(chǎn)品，可回收重復(fù)利用，避免浪費(fèi)和污染[2～4]。

常磊等[5]利用微波化學(xué)法制備含7%小麥秸稈碎屑的污泥前體活性炭的最佳工藝條件是利用微波功率為500W輻照為6 min。添加7%小麥秸稈制備出的污泥基活性炭的比表面積最高為463.12 m2/g，微孔孔容為0.105 cm3/g。比表面積增加了40.15%，微孔孔容增加了56.72%。加入7%小麥秸稈碎屑制備的污泥基活性炭，對(duì)二氧化硫的最佳吸附條件為：在床層溫度和高度分別為30 ℃和9 cm的條件下，以空床氣速為3.28 m/min，二氧化硫入口濃度為1200 mg/m3和水蒸氣含量為10%的條件，在穿透時(shí)間內(nèi)，脫硫效率保持在90%以上。

3 液相吸附

3.1 工業(yè)污水中的有機(jī)物

工業(yè)污水具有水量大、有機(jī)污染物含量高、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，屬于難處理的廢水之一，利用活性炭處理工業(yè)廢水是一種高效經(jīng)濟(jì)的方法[6～8]。

張旭輝等[9]利用榆林長(zhǎng)焰煤制備活性炭的比表面積和孔容積體積分別為671. 50 m2/g和0.382 cm3/g；最可幾孔徑為0.744 nm，說(shuō)明活性炭具備微孔結(jié)構(gòu)，但是原煤經(jīng)熱解活化后產(chǎn)生了相當(dāng)量的中大孔結(jié)構(gòu)，而中大孔表面積約占總比面積的31.06%，說(shuō)明該活性炭微孔結(jié)構(gòu)也較為豐富。盡管活性炭比表面積不大，但中大孔較為發(fā)達(dá)，有利于去除廢水化學(xué)需氧量。其半焦活化成活性炭對(duì)化工廢水的化學(xué)需氧量去除率最高達(dá)到70.97%，最優(yōu)方案的活化溫度850 ℃下活化3 h，蒸汽通入速率為15L/min。

3.2 工業(yè)污水中的重金屬等無(wú)機(jī)物

武瑞燕等[10]以KOH為活化劑，利用蓮藕炭化合成了含氮活性炭，實(shí)驗(yàn)表明含氮活性炭對(duì)三價(jià)鐵離子的吸附量可達(dá)到25.89 mg/g，而且其對(duì)去除三價(jià)鐵離子的效率高達(dá)99.61%；同時(shí)這種活性炭還存在完美的重復(fù)使用性能，在重復(fù)使用3次后，吸附量仍可達(dá)原來(lái)的80%。是復(fù)用的良好選擇材料。

4 其它方面

4.1 超級(jí)電容器電極材料

超電極材料表面上的電解質(zhì)正離子和負(fù)離子的吸附與脫落就是超級(jí)電容器的工作原理，它可以利用吸附過(guò)程為設(shè)備提供穩(wěn)定的電能[11,12]。

徐園園等[13]利用新疆煤采用水蒸氣活化法制備活性炭用作電容器電極料。經(jīng)過(guò)脫灰活化的活性炭在6 mol/L KOH電解液中，電流密度0.50 A/g下的比電容為149 F/g，經(jīng)過(guò)30萬(wàn)次循環(huán)后容量幾乎沒(méi)有衰減。

付一軒等[14]以竹子為前體制備活性炭，用作電容器的電極材料。當(dāng)活化劑ZnCl2與蒸汽熱解毛竹炭質(zhì)量比為4∶1時(shí)，在1000 ℃下活化時(shí)，測(cè)得活性炭的總孔容為1.07 cm3/g，比表面積為1,536.07 m2/g，平均孔徑為3.11 nm，在通入電流密度為1 A/g的電流下測(cè)得其比電容為107.4 F/g。以上條件不變，當(dāng)摻雜0.5 mol/L的氯化銨時(shí)，得到的活性炭在通入1 A/g的電流下，它的最大比電容為189.2 F/g。

4.2 固體催化劑

黎先發(fā)等[15]以K2CO3為催化劑，工業(yè)堿木質(zhì)素為活性炭前體，在管式電阻爐中經(jīng)一步共混活化，K2CO3與堿木質(zhì)素質(zhì)量比為3∶5，氮?dú)饬髁?00 cm3/min，活化最高溫度800 ℃下活化2 h，制備K2CO3/活性炭固體堿催化劑，用于餐飲廢油與甲醇的酯交換反應(yīng)合成生物柴油。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)在醇油摩爾比為60∶4，催化劑用量為原料用油的質(zhì)量的3.0%，在最高活化溫度60 ℃下反應(yīng)2.0 h，制備的生物替代柴油最大產(chǎn)率為87.5%，第3次重復(fù)利用時(shí)產(chǎn)率仍達(dá)到80.7%。

4.3 有機(jī)物回收利用

李鴻儒等[16]利用KOH∶石油為3∶1制備石油活性炭，以KHCO3∶石油活性炭為7∶13制備負(fù)載率為35%的石油焦基鉀離子，測(cè)得比表面積最大為429.79 m2/g，總孔容容積最大為0.68 cm3/g，其碳酸化的轉(zhuǎn)化率高達(dá)92.4%，最大CO2吸附量最高為61.2 mg/g。

5 結(jié)論

由于操作方便，活性炭吸附技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是還有很多提升空間，從上述的應(yīng)用綜述可以看出，活性炭應(yīng)用還可以從以下方面來(lái)提高。

(1)針對(duì)種類(lèi)不同的碳基，采用不同制備方法，加強(qiáng)其吸附機(jī)理的研究，以便研制對(duì)多種污染物都有良好吸附效果的的產(chǎn)品。

(2)環(huán)保型再生活性炭成為研究熱點(diǎn)。

(3)除了在吸附廢氣廢水等傳統(tǒng)污染行業(yè)以外，還可以用在制備超級(jí)電容器電極材料和固體催化劑。