活性炭改性方法及其在水处理中的应用

2016-02-12马俊丽

质量探索 2016年5期

关键词：官能团活性炭改性

马俊丽

天津市河东区环境保护监测站，天津 300000

活性炭改性方法及其在水处理中的应用

马俊丽

天津市河东区环境保护监测站，天津 300000

活性炭属于典型的环境友好型吸附剂，但是由于普通活性炭也存在着一定的问题导致其去除吸附污染物的能力极为有限，很难满足水处理的需要，由此可见，务必要对活性炭的性质、结构进行改性，以此来提高水处理效率，增大吸附能力。本文首先分析了活性炭改性方法，其次，深入探讨了改性活性炭在水处理中的应用，其中包括去除水中有机物、去除水中重金属及重金属离子，具有一定的参考价值。

活性炭；改性方法；水处理；应用

1 引言

活性炭具有易再生、安全性高、供应量充足，不溶于有机溶剂、水，耐热、耐酸碱，催化性、吸附性较强的特点，属于典型的环境友好型吸附剂。与此同时，活性炭还能够吸附冶炼工业废水、电镀废水中的重金属，能够去除水体中的异味、异臭，澄清水质，过滤水体中的细菌，正由于活性炭的优点较为明显，故备受重视。但是由于普通活性炭也存在着一定的问题，诸如吸附选择性能差、灰分高、比表面积小、微孔分布过宽、孔容小等，再加上电化学性质、表面官能团的制约，导致其去除吸附污染物的能力极为有限，很难满足水处理的需要，由此可见，务必要对活性炭的性质、结构进行改性，以此来提高水处理效率，增大吸附能力。本文就活性炭改性方法及其在水处理中的应用进行探讨。

2 活性炭改性方法

2．1 表面物理结构特性改性

活性炭的物理吸附能力是由其表面物理结构特性（孔径分布、微孔结构、微孔体积、比表面积等）所决定，当吸附质分子直径＜活性炭孔直径，活性炭表面孔内就会有吸附质分子进入，以此来达到去除、吸附的目的。活性炭的表面物理结构特性改性是指基于化学方法或者物理方法，在制备活性炭材料的过程中，通过对活性炭的孔隙分布、孔隙结构进行调整，或者将其比表面积增大的方式来改变其吸附表面结构，进而对其物理吸附性能予以改变。

2．2 表面化学性质的改性

2.2.1 表面氧化改性

表面氧化改性是指在适当的温度、适宜的氧化剂的情况下，氧化处理活性炭材料表面的官能团，让其表面的酯基、酚羟基、羧基等含氧官能团含量提高，以便增强活性炭材料吸附极性物质的能力及亲水性，进而达到废水治理、吸附回收的处理效果。H2SO4、HClO3、H2O2、O2、HNO3都是生产中较为常见的氧化剂，其中，氧化效果最强的是HNO3，HNO3能够生成大量的酸性基团，可对活性炭的表面酸性进行有效调整；活性炭的表面几何形状在氧化改性后会变得较为均一。与此同时，所形成的含氧官能团数量、种类会随着氧化剂的不同而不同，活性炭的孔隙结构也会在氧化处理之后出现较大的变化，会导致孔隙变宽、容积降低、比表面积降低。经过高温处理之后，出现在活性炭表面的酸性基团会被去除掉。

2.2.2 表面还原改性

表面还原改性是指对活性炭表面官能团进行还原改性，以此来增强表面非极性，增加活性炭表面的轻基官能团、含氧碱性基团含量，进而提高活性炭吸附非极性物质的性能。氨水、H2、KOH、NaOH、N2等都是较为常见的用于表面还原改性的还原剂。

2.2.3 负载物质改性

负载物质改性物质主要包括负载金属化合物、负载金属离子等。负载金属改性的工作原理为：由于活性炭对金属离子具有较强的吸附性和还原性，可先在活性炭表面吸附金属离子，再将其还原成低价态离子或单质离子；与此同时，利用被吸附物与金属或者金属离子之间的较强结合力，来大幅度提高活性炭吸附性能。银离子、铁离子、铜离子等均为常见的负载物质改性金属离子。而负载化合物或杂原子改性则主要是将特定的化合物和杂原子引入到活性炭表面进行液相沉积，利用吸附质与它们之间的结合力来让活性炭的吸附性能得以提高。FeCl3溶液、FeSO4溶液、Cu(NO3)2溶液、Na2CO3溶液、CuCl2溶液等均为常用的浸渍液。

2.2.4 低温等离子体改性

低温等离子技术既可对活性炭的界面物性进行有效控制，又可对其表面化学性质进行改变，优势较为明显。低温等离子体改性技术对活性炭进行改性，通常都是利用CF4等离子体、氧氮等离子体，将含氟官能团、含氮官能团、含氧官能团引入到活性炭表面，或者利用微波放电、辉光放电、电晕放电等方法来生成等离

▲▲子体，以便能够将活性炭的表面能予以提高。

2.2.5 酸碱改性

酸碱改性是指对活性炭利用碱物质、酸物质来予以处理，以便改变活性炭表面发官能团，并且还可对官能团数量进行适当地调整，以便获得质量较佳的专用活性炭。氨水、NaOH、H2O2、柠檬酸、HNO3、HCl、HClO等均为常用的酸碱改性剂。

3 改性活性炭在水处理中的应用

3．1 去除水中有机物

有学者研究结果表明：在氧化还原过程中，带有铂元素的活性炭能够让有机酸的吸附作用大大增加；有学者对活性炭用多种浸渍液来改性，研究结果表明：活性炭的脱附活化能被浸渍液有效地改变，并且对吸附效果也造成了一定的影响。有学者研究结果表明：活性炭表面的化学性质在负载金属法和化学氧化法的作用下都会出现较大的变化，吸附效果较佳。

3．2 去除水中重金属及重金属离子

改性活性炭既可对水体中的无机污染物（如重金属离子等）予以去除，又可对水体中的有机物予以去除（吸附作用机理）。通常而言，若引入氨基、羟基和羧基官能团到粉末活性炭的表面，那么所得的吸附材料性能更佳，能够更好地对污水中的重金属离子进行吸附。有学者对改性活性炭的吸附性能进行了实验研究，将活性炭与HNO3溶液（溶液浓度为13.2 mol.L-1）以4:1的比例来进行混合，回流1h（回流温度为100℃）之后，改变煤质活性炭的性质，研究结果表面：这种方法能够将活性炭对于Pb2+离子的吸附量明显提高，改性前后的饱和吸附量相差巨大，可以达到105倍。

有学者在沸腾温度下，将活性炭与HNO3溶液（溶液浓度为13.2 mol.L-1）以1:1的比例来进行混合、氧化改性，然后再进行加热处理（加热温度为300-400℃），得出改性活性炭，这种改性活性炭的离子交换能力较强、阳离子交换容量较高，尤其是能够很好地吸附交换Cr(Ⅲ)。有学者对活性炭用二乙基二硫代氨基甲酸钠和四丁基铵来进行化合物改性、负载原子改性，以便能够将电镀废水中的锌元素、铬元素、铜元素等全部去掉。吸附气体类无机物的活性炭常采用负载原子和化合物法或微波进行改性。