活性炭表面化学改性及应用研究进展

第8卷　第19期　2008年10月167121819(2008)1925463205　

科　学　技　术　与　工　程

Science Technol ogy and Engineering

　Vol 18　No 119　Oct .　2008

Ζ　2008　Sci 1Tech 1Engng 1

化工技术

活性炭表面化学改性及应用研究进展

陈孝云　林秀兰　魏起华　林金春　欧水丽

(福建农林大学材料工程学院,福州350002)

摘　要　活性炭表面官能团的种类与数量决定了活性炭的表面化学性质,而化学性质决定了活性炭的化学吸附特性。通过改变活性炭表面官能团的种类与数量、消除某些基团或者负载增加活性中心,可以改善活性炭对特定吸附质的吸附能力。论述了活性炭表面化学性质的氧化、还原、酸碱、等离子体、金属负载和电化学等改性及其应用研究进展。关键词　活性炭 吸附 表面化学改性 表面化学性质中图法分类号　T Q42411; 文献标志码　A

2008年5月27日收到国家自然科学基金(30571461)、福建省科技

厅星火计划项目(3182)、福建省自然科学基金(2008J0225)、青年教师基金(08B20)资助

第一作者简介:陈孝云,男,硕士,讲师,研究方向:离子液体和炭材料。E 2mail:chenxy_dicp@1261com 。

活性炭因孔隙结构发达、比表面积大、表面官能团丰富、灰分含量低、化学性质(耐酸、耐碱、耐热)稳定、机械强度高、不溶于水和有机溶剂、可再生重复利用等优点,被广泛用于治理水体、空气、土壤等环境中有机、无机、细菌及尘埃等污染物

[1—3]

。

但由于活性炭品种少、技术含量低、缺少功能化高品质专用活性炭,制约我国活性炭行业迈向更高层次的应用

[3—5]

。将活性炭改性处理,研制出对污染物高效、深度净化的功能活性炭,是降低活性炭使用成本、扩大其使用范围、提高其利用效率的有效途径,是活性炭行业未来发展方向

[4,6]

。活性炭改性主要是通过一些物理、化学处理,改变其孔隙结构(如孔容、孔径大小与分布等);改变活性炭表面的酸、碱性;或者在活性炭表面引入或去除某些官能团使活性炭具有某种特殊的吸附性能和催化特性

[7—10]

。此外,采用不同的活化方法或不同的活化

剂也可以实现制备不同孔径分布及不同表面化学特性的活性炭

[11]

。目前,针对活性炭表面化学性质

改性的方法主要有氧化改性、还原改性、酸碱改性、等

离子体改性、金属负载改性和电化学改性等[8—15]

。

1　活性炭表面化学性质

活性炭的吸附特性不但取决于它的孔隙结构,而且取决于其表面化学性质,表面化学性质决定了活性炭的化学吸附

[9]

。化学性质主要由表面的化

学官能团的种类与数量、表面杂原子和化合物确定,不同的表面官能团、杂原子和化合物对不同的吸附质的吸附有明显差别

[16]

。因此对活性炭表面

化学结构进行化学改性,使其吸附具有更高的选择性具有重要的意义。活性炭表面官能团一般分为含氧官能团(图1)和含氮官能团(图2);含氧官能团主要有羧基、酚羟基、羰基、内酯基及环式过氧基等,含氮官能团可能存在形式有两类酰胺基、酞亚胺基、乳胺基,类吡咯基、类吡嘧啶基等

[11—13]

。

图1　活性炭表面含氧官能团

图2　活性炭表面含氮官能团

2　活性炭表面化学改性

活性炭表面官能团作为活性中心支配了活性炭表面化学性质,而活性炭表面官能团的数量和种类主要是由生产活性炭的原材料和活化方法所决定,而对成品活性炭进行改性处理改善其吸附性能,具有重要的意义。

211　表面氧化改性

氧化改性主要是用强氧化剂在适当的温度下对活性炭表面进行氧化处理,从而提高表面的含氧酸性基团的含量、增强表面的极性、降低零电点pH值,而表面极性较强的活性炭易吸附极性物质。目前对活性炭氧

化改性主要采用HNO

3、H

2

O2、HCl O和H2S O4等[16—19]。

Mor wski等[20]用HNO3对活性炭进行氧化处理,研究发现HNO

3

处理后的活性炭对三卤甲烷的

吸附性能大幅度提高。V inke等[21]用HNO

3

和HCl O对活性炭进行改性。研究发现经强氧化剂HNO3改性后活性炭表面酸性基团大量增加,微孔结构塌陷,比表面积降低;经氧化性比较温和的HCl O改性后活性炭表面的含氧基团增多,但微孔结构和比表面积变化不大。刘守新等[22]通过臭氧化处理活性炭,研究发现臭氧化处理后活性炭表面含氧酸性官能团数量和表面酸度增加,对Cr6+的吸附速率和吸附容量增大。单晓梅等[23]用不同浓度

的HNO

3和(NH

4

)

2

S2O8对煤基活性炭和椰壳活性

炭进行改性,研究发现高浓度HNO

3

处理后活性炭

表面积和孔体积降低,而低浓度HNO

3

处理后活性

炭表面和孔容有所增加;(NH

4)

2

S2O8氧化改变了

煤基炭的微孔孔径分布,但对椰壳炭的微孔孔径分布几乎没有影响;另外,HNO

3

改性后活性炭表面羧

基数量明显增加,(NH

4)

2

S2O8改性后活性炭表面

酚羟基和内酯基数量增加较多。高首山等[24]用

HNO3、H2S O4和Cl2对活性炭纤维进行改性,研究

发现活性炭纤维表面化学处理可以改变活性炭纤

维表面的酸碱性、极性,对S O

2

的吸附起到良好作

用。用液相氧化和气相氧化的方法提高活性炭纤

维表面酸性官能团的含量,分别使活性炭纤维对

S O2的动态吸附能力提高65%和32%;用Cl2处理

的活性炭纤维表面极性改变,对S O

2

的动态吸附能

力提高45%。王琳等[25]用强氧化剂对活性炭进行

改性,研究发现改性后活性炭表面官能团的性质发

生改变,使原来具有催化还原能力的官能团变为具

有氧化能力的官能团,从而抑制了活性炭中亚硝酸

盐的形成,使水中亚硝酸盐浓度从未改性活性炭的

210mg/L降低为改性后的0101mg/L。

212　表面还原改性

还原改性主要是通过还原剂在适当的温度下

对活性炭表面进行还原处理,从而提高活性炭表面

碱性基团的含量,增强表面的非极性,这种活性炭对

非极性物质具有更强的吸附性能[7,8]。活性炭的碱

性主要是由于其无氧的Le wis碱表面可以通过在还

原性气体H

2

或N

2

等惰性气体下高温处理或在氨水

中浸渍处理得到碱性基团含量较多的活性炭[13]。

高尚愚等[26]用H

2

改性活性炭,研究发现H

2

改

性后活性炭表面的含氧官能团减少,特别是含氧酸

性官能团显著减少;H

2

还原处理时大部分酸性官能

团和少部分碱性官能团在高温下被分解成CO

2

、CO

及水等低分子产物从活性炭上脱离,因此含氧官能

团总量减少。万福成等[27]用氨水和苯胺对活性炭

进行改性处理,研究发现改性后消除了部分表面阴

性基团,增强了对Au3+的吸附能力。因为用浓氨

水、苯胺等极性溶液浸泡,活性炭表面酸性基团与

氨水或苯胺反应,再加热除去,增大了孔半径,有利

于较大的AuCl4—离子进入孔隙,另外降低了活性炭

表面的电负性对AuCl4—离子的静电排斥作用,从而

提高活性炭的吸附能力。Manuel等[28]将活性炭进

行有选择的改性,通过检测改性活性炭试样表面化

学性质、结构特性以及对不同染料的吸附效果发

现,活性炭表面化学性质在染料吸附过程中起到关

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