活性炭吸附的應用分析

由于活性炭*的吸附性能，活性炭已經(jīng)廣泛應用于生活的各個(gè)方面，活性炭是以木屑等含碳物為原料，經(jīng)碳化和活化制成。主要有粉狀和顆粒狀兩種，多孔，比表面積大，極其發(fā)達的孔隙結構，這都是活性炭?jì)?yōu)良的吸附性能的直接原因。
目前活性炭吸附的應用有很多，本文僅就其在水處理、廢氣吸收、儲氫以及對活性炭的改性上的一些應用展開(kāi)一些論述，并對其應用前景作下展望。
1、活性炭吸附的一般性機理
1.1 物理結構
活性炭的吸附性能主要是與其*的物理性質(zhì)有關(guān)?；钚蕴靠妆诘目偙砻娣e一般高達500 一1700m2/g，與其他吸附材料相比，具有小微孔(半徑為<0.02nm)特別發(fā)達的特征，這也是活性炭吸附能力強、吸附容量大的主要原因。其中小微孔決定了活性炭的總比表面積；過(guò)渡孔(半徑為0.02 一1nm)起著(zhù)重要的通道作用；大微孔(半徑為1—100nm)則是該吸附材料微觀(guān)體系的人口。
1.2 化學(xué)性能
活性炭的表面有豐富的官能團，一般可分為含氧官能團和含氮官能團，這些官能團賦予了活性炭*的化學(xué)性能，能與多種物質(zhì)進(jìn)行結合。其中含氧官能團主要有酚羥基、羧基、羰基、內酯基、嘧啶等；含氮官能團有酰胺、酰亞胺、乳胺基、類(lèi)毗咯基等。
2、活性炭吸附的應用研究
2.1 活性炭吸附在水處理方面的應用
活性炭吸附在水處理方面的應用。近年來(lái)，內分泌干擾物的水環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，特別是在作為飲用水源的地表水中也檢測到了大量的內分泌干擾物質(zhì)(EDCs)，主要包括天然的與合成的固醇類(lèi)激素、植物雌激素、殺蟲(chóng)劑、表面活性劑以及多氯聯(lián)苯等物，為了解決此問(wèn)題，考察了兩種不同表面化學(xué)性質(zhì)粉末活性炭(WP及其改性炭WPN)對松花江原水和砂濾水中六種加標酚類(lèi)內分泌干擾物的去除情況。試驗結果表明，活性炭對六種目標物的吸附能力與其憎水性有關(guān)(如圖1所示)，依次為：壬基酚>雌激素酮>乙烯雌酚>乙炔基雌二醇>雌二醇>雙酚A；活性炭吸附降低了水中的TOC與UV254值，同時(shí)也去除了水中大部分的內分泌干擾物，WP和WPN兩種活性炭對江水和砂濾水中六種目標物的去除率分別為26.82％-85.97％和74.62％-96.64％，其中WPN的吸附效果相對較好。試驗結果還表明，活性炭對酚類(lèi)內分泌干擾物的吸附能力受水中有機物與活性炭物化性質(zhì)的影響較大，通過(guò)一定的改性處理獲得孔結構與表面化學(xué)性質(zhì)均有利于去除水中有機污染物的活性炭，并將其用于給水的深度處理，對于提高活性炭的吸附能力、使用壽命及確保出水水質(zhì)安全都具有重要意義。研究了顆?；钚蕴繉S磷化工滲濾液中有機物的吸附容量、吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。結果表明：顆?；钚蕴繉B濾液中有機物的吸附容量幾乎不受滲濾液pH 值的影響，吸附45min 后基本達到平衡。
河水污染問(wèn)題日趨嚴重，凈化河水也成為亟待解決的問(wèn)題。采用活性炭吸附凈化受污染河水，考察了不同吸附時(shí)間及投量下的凈化效果，同時(shí)結合三維熒光光譜（ＥＥＭ）技術(shù)探討了河水中溶解性有機質(zhì)（ＤＯＭ）組分的變化。結果發(fā)現：活性炭對天然有機物的吸附速率較快，在15～20min內即對COD、UV254和UV410的去除效果達到*；當活性炭投量為0.5ｍg/mL 時(shí)，對試驗水體中有機物的吸附效果基本達到*狀態(tài)。
然而僅僅用活性炭處理污染源在某些場(chǎng)合并沒(méi)有很好的效果，此時(shí)就應該考慮使用兩種或幾種方法結合使用，例如：將膜處理和活性炭吸附結合起來(lái)使用，并得到了很好的效果。他們發(fā)現用傳統的工藝并不能有效的除去水中的藥物和個(gè)人護理品（PPCPs）的污染。膜處理技術(shù)由于空間排斥作用，能有效截留比膜孔小的PPCPs；疏水性相互作用和靜電排斥也會(huì )影響PPCPs 的去除，再結合活性炭的吸附作用進(jìn)行處理，基本可以達到目標。

圖1 活性炭對加標江水中內分泌干擾物質(zhì)（EDCs）的處理效果
通過(guò)以上的研究，我們發(fā)現，活性炭吸附在水處理上的應用已經(jīng)日趨成熟，具有極大的實(shí)用價(jià)值，但單單只靠運用活性炭吸附來(lái)達到很好的效果已經(jīng)很難，這就需要其他方法的配合使用。
2.2 活性炭吸附在廢氣吸收上的應用
廢氣zui常見(jiàn)的也zui熟悉的就是二氧化碳，天上飛的，地上跑的，無(wú)一不在向大氣中排放著(zhù)二氧化碳，而煤等石化燃料的消耗是zui主要的原因，這也驅使研究者尋找一種可靠的回收二氧化碳的方法。而分離和回收二氧化碳zui常用的方法是活性炭吸附法?；钚蕴孔鳛橐环N優(yōu)良的吸附分離材料，具有比表面積大、孔結構發(fā)達、化學(xué)性質(zhì)穩定、耐酸耐堿等特點(diǎn)?；钚蕴?jì)?yōu)良的吸附性能主要取決于其特殊的孔結構，由于存在大量的微孔和中孔，使活性炭具備高的比表面積和吸附容量。制備條件的不同使得活性炭孔結構具有可調性。
當今工業(yè)的高速發(fā)展，必然會(huì )導致各種廢氣的排放量的增加。尤其是化工行業(yè)，比如涂料、樹(shù)脂、皮革、印刷等，會(huì )排放大量的有機廢氣，雖然治理有機廢氣，研究人員已經(jīng)有了一些卓有成效的控制技術(shù)，比如熱破壞法、冷凝法等。但吸附法的應用。又由于活性炭本身的特性，其又是zui常用的吸附劑。
2.3 活性炭吸附在儲氫上的應用
氫具有高揮發(fā)性、高能量，是能源載體和燃料，同時(shí)氫在工業(yè)生產(chǎn)中也有廣泛應用。由于氫的廣闊的應用前景，尋找一種儲氫方式也成為必然。
經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展與研究，目前儲氫方式主要有高壓儲氫、液態(tài)儲氫、金屬化合物儲氫、有機物儲氫和吸附儲氫5種。目前用于H2吸附儲存的材料主要有：分子篩、碳納米管、活性炭纖維、石墨、納米碳纖維、活性炭。H2在分子篩與活性炭上的吸附性能的研究結果表明，活性炭吸附儲存H2的性能遠優(yōu)于分子篩吸附劑，且活性炭纖維吸附儲存H2的能力不如活性炭吸附劑?；钚蕴颗c碳納米管均表現出高的吸附儲存H2的能力?；钚蕴坑米鱄2吸附劑的特點(diǎn)在于：吸附容量大、抗酸堿性能好、解吸容易、對少數雜質(zhì)氣體不敏感、熱溫性能好，在較高溫度下解吸再生其晶體結構不發(fā)生變化，經(jīng)多次吸附和解吸操作后仍能保持原有(重復使用性能好)。由于活性炭具有復雜的多孔結構及大比表面積，在低溫下表現出良好的H2吸附特性，并受到人們高度重視。
研究了椰殼基活性炭微孔結構和化學(xué)改性對其儲氫能力的影響。結果表明，物理活化的椰殼基活性炭用HF 或NH3·H2O 處理后可提高活性炭的吸氫能力，用HNO3處理后吸氫能力幾乎沒(méi)有什么變化，而用H3PO4 處理后吸氫能力卻有明顯的下降?；钚蕴康谋缺砻娣e、孔徑分布和表面性質(zhì)都會(huì )影響其吸附氫氣的能力，其中，比表面積是zui主要的影響因素。
要更好的了解活性炭?jì)?，就要對其儲氫特性進(jìn)行研究。對活性炭在低溫下的平衡儲氫特性進(jìn)行了分析，結果表明，氫分子活性炭吸附表面的zui大密度小于液氫表面密度且隨溫度升高而減小，氫分子間作用能在較大比表面積和微孔容積的活性炭中隨表面遮蓋率和溫度的變化更為劇烈（如圖2 所示，NAC 等為5 種活性炭），須根據氫分子特性設計活性炭以提高其儲氫性能。對活性炭床導熱系數及充氣速度影響低溫儲氫熱效應的研究結果表明，在一定范圍內活性炭床的有效熱導率越大，氫氣的吸附量也隨之增大，提高了低溫吸附的儲氫容量。且提高熱導率可使儲氫容量更快地到達平衡，從而加快儲氣速度。提高充氣速度并不能使儲氫量增加，但儲氣速度加快。

圖2 在極低表面遮蓋率區域、90K時(shí)，吸附在活性炭上的氫分子間作用能隨表面遮蓋率之間的關(guān)系
2.4 改性活性炭的研究與應用
由于活性炭的吸附量不高以及再生問(wèn)題，所以對活性炭進(jìn)行改性就顯得迫在眉睫了。對電場(chǎng)強化活性炭吸附鄰苯二胺的進(jìn)行了研究，以及pH、鄰苯二胺濃度和離子強度對電場(chǎng)強化活性炭吸附的影響。結果表明，隨外加電場(chǎng)的增大，活性炭的吸附量急劇增大，但當電場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，吸附量的增加趨緩并趨近于平衡。隨鄰苯二胺濃度的增大，活性炭的吸附量也隨之增加；當pＨ和離子強度增大時(shí)，鄰苯二胺的溶解度下降，活性炭的吸附量增大。
將電場(chǎng)強化活性炭吸附和電化學(xué)再生有機結合對處理廢水有一定的實(shí)用價(jià)值。使用濃HN03分別在常溫和沸騰狀態(tài)下對活性炭進(jìn)行改性，用FTIR和N2吸附法對活性炭進(jìn)行表面分析。研究結果表明：活性炭經(jīng)常溫濃HN03改性后，比表面積和孔容都明顯提高，而經(jīng)沸騰濃HN03改性后，比表面積和孔容卻明顯減小，但2種改性方式都使活性炭表面產(chǎn)生更多的含氧基團。研究了氧化、還原改性對活性炭吸附草甘膦的影響（如圖3 所示各活性炭改性后的吸附等溫線(xiàn)），結果表明氧化改性使活性炭比表面積增大；還原改性使活性炭比表面積減小。還原階段使先前氧化階段中產(chǎn)生的孔道以及原有孔道均發(fā)生塌陷，導致還原改性活性炭比表面積減??；在靜態(tài)吸附的條件下，氧化改性和還原改性對草甘膦的吸附均為吸熱反應。還原改性在活性炭表明產(chǎn)生的還原性官能團有利于活性炭對草甘膦的吸附，而氧化改性產(chǎn)生的氧化性官能團并不利于活性炭對草甘膦的吸附。

圖3 318K下各改性活性炭的吸附等溫線(xiàn)
3、活性炭吸附的應用與研究展望
活性炭可以吸附水中眾多的金屬離子和有機物，但在一定條件下對特定的有機物的吸附量很小?；钚蕴?jì)?yōu)良的吸附性能源自于其巨大的表面積、發(fā)達的內部微孔結構和豐富的表面官能團。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(jīng)典的經(jīng)驗模式，對于金屬離子表面絡(luò )合模式更能表示變化條件下的吸附行為。但是所有的吸附模式都是特定條件下的模擬，不具備實(shí)際的物理意義，無(wú)法從本質(zhì)上反應吸附過(guò)程?；钚蕴繉ξ劫|(zhì)的主要作用有：離子交換作用、靜電作用、擴散力、供-受電子交換作用。pH通過(guò)改變吸附質(zhì)和活性炭表面官能團的電離狀態(tài)而改變活性炭與吸附質(zhì)之間靜電作用的大小和性質(zhì)，使活性炭的吸附量增加或減少。當給定活性炭的性質(zhì)、吸附質(zhì)的性質(zhì)和溶液條件可以通過(guò)現有機理對水溶的吸附行為進(jìn)行推測。目前對于動(dòng)態(tài)吸附模式和機理的研究相對缺乏，這方面應進(jìn)行深入的研究，同時(shí)在NOM背景下的吸附研究也需進(jìn)一步展開(kāi)。以后的研究方向應該是活性炭改性方面，的性能優(yōu)良的改性活性炭將成為熱點(diǎn)。