活性炭的基本特质及吸附性能

众所周知，活性炭是一种优良的吸附材料，对多数污染物均具有很好的吸附性能，是一种广谱的吸附剂，其选择性较差。其孔结构中孔径尺寸和数量直接影响用途和吸附效果。中孔活性炭因具有较大的孔径结构，更适合应用于发酵液纯化和大分子污染物的吸附;微孔活性炭因具有巨大的比表面积和较小的孔径结构，更适于作为电容器电极材料及甲醛、tian然气等小分子的吸附材料;表面官能团含量较多的活性炭更适合于对金属离子的吸附。为了达到去掉特定污染物的目的，需对活性炭孔径结构和表面化学性质进行调控。对活性炭的孔结构和表面化学性质进行定向调控，一方面有助于丰富和完善活性炭理论体系，另一方面也有助于拓展活性炭的应用范围。之前关于活性炭的研究多集中于制造方法的开发，今后，活性炭孔径结构及表面化学性质定向调控制备新型功能活性炭吸附材料，将成为研究的热点。活性炭几平可以用任何含炭材料来制造，中于煤炭资源储量丰富、便官易得活性炭几乎可以用任何含炭材料来制造，由于煤炭资源储量丰富、便宜易得在相当长的一段时期内，煤炭资源是我国制备活性炭的主要原料。随着能源危机的加剧和环境意识的提高，人们认识到生物质类秸秆这种可再有资源在未来经济发展中的地位。生物质类资源成本低廉，灰分含量低，具备有利的tian然结构，易于形成发达的微孔，是制备活性炭的优良材料，是今后环境友好材料新技术应用的发展方向，值得进行深入研究。越来越多的研究者选用生物质类可再有资源为原料制备活性炭，目前以生物质类作为原料制活性炭的理论研究相对较少且不深入，在某剂作用下的碳化某化和成孔机理、制备工艺的影响因素、微孔介孔和大孔在制备中所需条件的差异性以及活性炭的功能化应用等都缺少深入系统的基础理论研究，这极大地限制了其在活性炭制备方面的推广和应用。活性炭是一种具有类石墨微晶结构的炭材料，是利用含碳原料经过炭化某化后得到的产品，它具有巨大的比表面积、多孔的结构和较强的吸附能力。在1794年，木炭被应用于英国蔗糖工业的食糖糖浆颜色脱除中，活性炭的快速发展主要在某次世界大战时期，用于去空气中的有毒气体，商业活性炭出现于上个世纪的30年代。尽管有其他吸附剂应用于商业吸附中，如沸石、硅胶和活性氧化铝等但是活性炭仍然是最广泛使用的吸附剂。活性炭主要由碳元素组成，同时也含有氧、硫和氮等元素;碳原子决定了活性炭本身没有极性，表面呈疏水性，碳表面容易被氧化剂氧化或者被还原剂还原，使其表面产生多种官能团。在实际应用中，活性炭具有耐高温、耐腐蚀、导电、传热以及化学稳定性高和生物相容性好等一系列优点，因此，除被广泛用做吸附分离材料外，还可用做催化材料、储气材料、储能材料和生物材料等。随着对环境保护的日益重视，活性炭材料表现出巨大的市场潜力和广泛的应用前景，进一步推动了活

性炭的研究、开发和利用。活性炭的性质在很大程度上取决于其孔结构和表面化学结构，因此，在活性炭制备过程中，对活性炭的孔结构和表面化学性质进行调控具有非常大的理论意义和实际应用价值。活性炭的基本特活性炭是由已石墨化的微晶和未石墨化的非晶炭质构成的基本炭质，因此活性炭被认为属于微晶类的碳系，炭微晶与非晶炭质相互连接构成了活性炭的孔隙结构。由于活性炭微晶的排列是无规则的、紊乱的，各微晶之间形成大小、形状不后的孔隙，这些孔隙有狭缝型、楔子型和笼子型等。因此微晶的形状、大小与聚集的程度与活性炭的比表面积和孔隙结构密切相关1972年纯化学和应用化学学会(International Union of Pure and AppliedChemistry， IUPAC根据苏联学者杜比宁的划分对活性炭的孔隙作了以下的分类活性炭表面化学性质也是影响活性炭吸附性质的重要因素12,31。表面原子与体相原子的环境不同，表面破坏了物相的连续性，表上存在的悬空键使表面具有活泼的化学性质。活性炭表面存在不饱和键及杂原子，构成多种多样的化学性质同时使表面具有电性。因制备原料的差异，活性炭的组成元素虽不尽相同，但都维持在一定范围内。碳元素组成在90%以上。氧元素含量为2%~5%，其中一部分存在于灰分中，另一部分以羧基、羟基、内酯基等官能团形式存在活性炭表面，这部分氧元素使活性炭具有一定的亲水性。当原料中含有蛋白质和硫化物时，会在活性炭中有微量的氮和硫的残留，活性炭中的氮元素会提高活性炭的催化性能。另外，因制备材料和工艺的不同，活性炭中的灰分含量有显著的差异，一般木质素类活性炭灰分的含量较少，在5%以下。除比表面积和孔结构外，活性炭的吸附特性还受到表面化学性质的影响，而活性炭的表面性质主要是由其表面存在的化学官能团和杂原子所决定的。因此，研究活性炭的表面官能团，对深入了解其吸附行为有很大的帮助。研究表明，在含氧基团中，酸性官能团易吸附具有极性的物质，碱性官能团则易吸附极性弱或者是非极性的物质。根据吸附质的特点，通过改变活性炭表面所需官能团的种类和数量，使其具有更强大、更全面的吸附性能。活性炭具有丰富的微孔结构和巨大的比表面积，对多数污染物具有较好的吸附性能。作为一种广谱的吸附材料，活性炭的选择性较差，影响了其对特定污染物的吸附性能。针对除污染物的类型对活性炭进行结构调控和表面改性，可有效提高其对某种物质的选择性吸附效果。因此，对活性炭的性质进行调控是非常有必要的活性炭的表面化学性质改性是指通过一定的方法改变其表面的官能团种类和数量，表面的杂原子及其周边氛围的构造，使吸附过程中的活性位点增多，从而控制其亲水/疏水性能以及提高与被吸附物的结合能力。活性炭的改性方法有很多种，主要包括氧化改性、还原改性、负载改性和电化学改性等，也可将不同的改性方法结合起来对活性炭进行改性，从而达到良好的改性效果。在使用过程中，需根据吸附质的性质有日的性的选择较为合适的改性方法。