文献综述-活性炭的表面改性相关研究介绍.doc

活性炭的表面改性相关研究介绍摘要：通过对活性炭表面物理、化学、电化学性质的改变而制得的改性活性炭，在多种应用层面取得了长足的进展。改性活性炭在水污染处理过程中发挥了越来越明显的作用。关键词：活性炭 表面化学 表面改性 1. 活性炭的定义活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳；是孔隙结构发达，比表面积很大(1500m2/g以上)，吸附能力很强的炭。是以煤、木材和果壳等原料，经炭化、活化和后处理而得。按外观形状可分为粉状活性炭、颗粒活性炭、成型活性炭和活性炭纤维。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列的，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷。因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大。2. 活性炭的表面改性与树脂、硅胶、沸石等吸附剂相比，活性炭具有许多独特且不可替代的特性，即高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积；炭表面含有多种官能团； 具有稳定的催化性能；能够在不同温度、不同酸碱度的环境中使用；可以再生。因此，活性炭的应用领域不断扩大。活性炭应用领域扩大对其性能提出了更新、更高的要求，在“高吸附、多功能、高强度”的总要求下，出现了对专用炭质吸附材料需求量越来越多的趋势。目前用传统工艺生产出来的活性炭只能满足一般需求，要想扩大其用途或满足某种特殊用途，必须要针对应用的要求，在充分认识活性炭表面结构的基础上，采用某种可行的途径对其进行表面改性，从而达到实际应用的目的。普通活性炭存在灰分高、孔容小、微孔分布过宽、比表面积小和吸附选择性能差等特点，加上其表面官能团及电化学性质的一些限制，使其对污染物的吸附去除作用有限，远远不能满足国内外市场的要求。因此，在水污染处理过程中，有必要对所使用的活性炭的结构和性质进行改性，以增大其吸附能力，缓解水污染压力。目前，改性活性炭材料被广泛用于污水处理、大气污染防治等领域，特别是在水环境污染治理方面越来越显示出其诱人的美好前景。3. 活性炭改性的具体方法3.1 活性炭表面物理结构特性改性活性炭的表面物理结构特性包括活性炭的比表面积、微孔体积和结构、孔径分布，其决定了活性炭的物理吸附。物理吸附是指：当吸附质分子远小于、小于或约等于活性炭孔直径时，吸附质分子进入活性炭表面的孔内，从而达到吸附去除的目的。因此，活性炭的比表面积、孔径分布等物理性质对其吸附能力有很大的影响，其中孔径分布是影响吸附容量的主要因素。活性炭的表面物理结构特性改性就是指在活性炭材料的制备过程中通过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调整活性炭的孔隙结构及其分布，使活性炭材料的吸附表面结构发生改变，从而改变活性炭材料的物理吸附性能。孔隙调整的目的就是使活性炭的微孔尺寸与吸附分子尺寸相当，从而提高其吸附能力。可以通过控制轻度活化程度来开孔和扩孔；缩孔则可以采用热收缩法、浸渍覆盖法和气相热解堵孔法等方法。碳沉积技术也是一种调整活性炭的孔隙结构的方法，这种方法可以使活性炭具有分子筛性质。碳沉积包括气相碳沉积、液相浸渍后热解碳沉积、真空浸渍碳沉积。目前，化学气相碳沉积技术比较多用，在含苯之类的烃类气体氛围下，热处理活性炭，通过烃气体的分解析出热解炭，缩小孔径。活性炭材料的性能除与原料有关外，还与炭化条件、炭化温度、炭化时间、活化温度、活化时间、活化剂种类以及活载比等有密切的关系。为了使孔隙结构更加丰富，孔径分布更加均匀，在活化过程中可以加人一些化学活化剂。常用的活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类以及一些酸类，目前较成熟的化学活化剂有KOH、NaOH、ZnCl2和H3PO4等，其中以KOH作为活化剂制得的活性炭性能最优异。控制活化剂的种类及用量，可以灵活的控制活性炭的吸附特性。3.2 活性炭表面化学性质的改性活性炭的表面化学性质主要由表面的化学官能团、表面杂原子和氧化物决定，其决定了活性炭的化学吸附。活性炭的表面化学官能团有含氧官能团和含氮官能团，含氧官能团又分为酸性含氧官能团和碱性含氧官能团。酸性含氧官能团使活性炭具有极性的性质。因此，仅限于吸附极性较强的化合物。而碱性含氧官能团易吸附极性较弱或非极性物质。活性炭表面化学性质的不同对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性等都会产生很大的影响。活性炭的表面化学性质改性就是指通过一定的方法改变活性炭吸附表面的官能团及其周边氛围的构造，控制其亲水/ 疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力，使其成为特定吸附过程中的活性点，从而可以控制其亲水/ 疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力。活性炭吸附表面化学性质的改性可以通过表面氧化改性、表面还原改性、负载金属及化合物改性、低温等离子体改性、酸碱改性等进行。改性过程中常常将不同的改性方法结合起来对活性炭进行改性，从而达到更好的改性效果。活性炭的表面化学性质改性主要包括表面氧化改性、表面还原改性、负载物质改性、低温等离子体改性和酸碱改性等。3.3 活性炭电化学性质的改性活性炭的电化学性质同时决定了物理吸附和化学吸附。由于活性炭是由石墨晶体和无定型碳组成，因此，它具有较强的导电性能。具有捕捉电荷的能力，使其表面带有一定的电荷。电化学改性是指利用微电场，使活性炭表面的电性和化学性质发生改变，从而提高吸附的选择性和吸附性能。活性炭吸附量随电位的增加而逐渐提高，吸附速度加快；阳极极化有利于活性炭对氯仿的吸附，阴极极化抑制活性炭对氯仿的吸附。4. 改性活性炭在水处理中的应用改性活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有较强的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，有耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，对水中溶解的有机污染物如苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品等具有较强的吸附能力，而且对用生物法和其他化学法难以去除的有机污染物，如色度、亚甲基蓝表面活性物质、除草剂、杀虫剂、合成染料及许多人工合成的有机化合物都有较好的去除效果；此外，改性活性炭对电镀废水和冶炼工业废水中的重金属也有较强的吸附能力；对水质浑浊有明显的澄清作用，可以除去水中的异臭、异味，对细菌也有极好的过滤作用。因此，改性活性炭在水处理中越来越受到重视。改性活性炭可以通过吸附作用等多种机理有效去除水中的有机污染物和水中的重金属络合物及重金属离子。由于改性活性炭吸附性能更好，因此，改性活性炭的应用越来越受到重视。参考文献：林信惠.表面化学的开拓者欧文_朗缪尔宫国卓.活性炭的表面性质及表面改性研究进展范明霞.活性炭孔径分布和表面化学性质对吸附影响的研究进展刘立恒.孔结构和表面化学性质对活性炭吸附性能的影响包