活性炭表面改性控制技术研究进展

李万忠，李彦秋

(1.潍坊医学院，山东 潍坊 261053；2.潍坊市第一中学，山东 潍坊 261205)

活性炭表面改性控制技术研究进展

李万忠1*，李彦秋2

(1.潍坊医学院，山东 潍坊 261053；2.潍坊市第一中学，山东 潍坊 261205)

从物理、化学以及化学物理改性三方面，综述了活性炭的定向控制技术，分析了国内外研究成果与各方法特点，并对活性炭行业的未来发展进行展望。综合利用、节能环保、降低成本和高性价比是未来活性炭改性技术的发展方向，期望为今后活性炭改性研究提供参考与依据。

活性炭；表面改性；控制技术

活性炭系多孔非极性吸附材料，广泛用于化工、环保、医药、食品等领域。随国家科技发展与人民生活水平提高，对活性炭孔隙结构与吸附特性提出更高要求。基于此，制备特定孔径结构的活性炭具有重大理论意义与应用前景[1]。文章综述近年来国内外对活性炭表面改性控制研究概况，促进对不同性能活性炭开发利用，进一步拓展改性活性炭应用领域。

1 基本概况

活性炭制备原料来源广泛，主要有煤质、果壳质、木质、塑料质材料。活性炭多孔隙结构有吸附性与催化性。按孔径范围分为微孔(< 2 nm)活性炭、中孔(2-50 nm)活性炭与大孔(> 50 nm)活性炭[2]。比表面积与孔容积影响活性炭吸附性能；表面化学性质由官能团种类与数量、杂原子与化合物确定。普通活性炭存在孔隙结构不理想、吸附选择性差、表面官能团限制，需对活性炭表面进行物理、化学以及化学物理改性，生产具有特定官能团和改善孔隙结构的专用活性炭。

2 表面改性控制

2.1 物理改性控制

活性炭物理改性系采用合理方法开孔、扩孔与创造新孔，改变活性炭比表面积，调整孔隙结构及分布，提升活性炭物理吸附性能[3]。

2.1.1 水蒸汽活化法

水蒸汽活化温度一般介于750～950℃，炭化温度大约500℃。活化剂加入比例、活化温度、活化时间、蒸汽流量等影响活性炭比表面积与多孔结构[4]。蒸汽或蒸汽与甲烷混合1000℃高温处理活性炭，改性后活性炭微孔、中孔孔容相应增加50%～70%、65%～90%[5]。

2.1.2 气体活化法

由于二氧化碳分子大于水分子直径，颗粒孔道内扩散速度相对较慢，从而二氧化碳与微孔表面碳原子接近受到限制。以油棕石作为原料，在850℃条件下活化2 h，改变CO2流量，分别得到不同比表面积的活性炭，说明CO2流量对活性炭比表面积有重要影响[6]。

2.1.3 微波活化法

通过改变微波功率、频率、时间、载气等参数实现对活性炭物理结构调整，体系温度上升进一步改变孔隙结构[7]，具有内外加热、速度快、高选择性、易于控制等优势。以碳酸钾与氯化锌为活化剂，在微波功率为600W、辐照时间6 min、投料比为1：2时，微波法制备1～10 nm孔径为主的核桃壳活性炭，比表面积与碘吸附值对双酚A吸附优于商业活性炭[8]。

2.2 化学改性控制

活性炭吸附污染物的种类和能力，主要取决于活性炭表面官能团酸碱性与极性。通过氧化、还原、负载等改性手段改变官能团种类与比例，改变活性炭的表面化学特性[9]。

2.2.1 氧化改性

调整合理的改性温度，利用强氧化剂改变活性炭表面羧基、酚羟基、酯基、羰基等含量，提高对极性物质吸附与亲和力[10]。选择氧化剂种类、浓度与用量，调控活性炭微孔、中孔、大孔比例，从而改变比表面积和孔容积[11]。常用氧化剂主要有硫酸、盐酸、硝酸、氯酸、双氧水等。以不同浓度硝酸对活性炭进行改性，发现活性炭处理后比表面积增大，含氧官能团总量增加，更利于去除金属铜离子[12]。

2.2.2 还原改性

选择还原剂对表面官能团处理，增强活性炭表面非极性，提高碱性官能团相对含量，提高活性炭还原力和对有机物、酸性气体及非极性物质吸附力[13]。高温处理活性炭中通入气体，碱性基团含量增加；氨水处理可得到含量丰富的含氮官能团。

经氢气处理的椰壳活性炭表面以碱性基团为主，对汞离子吸附力强，为工业废水中重金属离子高效吸附剂开发提供参考[14]。高温氮气、氨水还原改性椰壳活性炭，增加活性炭孔数量与比表面积，显著提高活性炭非极性吸附性能[15]。

2.2.3 负载改性

基于活性炭稳定性较好，表面可负载杂原子与化合物。活性炭被负载液浸泡处理，金属或化合物结合到表面，引起活性炭表面结构变化，导致反应速率和自身吸附容量增加[16]。采用载铝活性炭，考察负载条件、溶液pH、操作条件对水中氟离子吸附影响。载铝活性炭单位当量氧化铝的氟离子吸附量是单一活性Al2O3吸附量40多倍[17]。

2.2.4 等离子体改性

在不改变活性炭界面物性情况下，影响孔隙结构与表面官能团，改变表面化学性质[18]，在活性炭改性中发挥重要作用。通过氧氮、CF4等离子体改性活性炭，表面引入含氧、氮与氟官能团，或通过电晕放电、辉光放电及微波放电等产生等离子体，提高活性炭表面能[19]。

2.3 化学物理改性控制

物理与化学活化相结合，即活化前对原料进行化学改性浸渍处理，提高原料活性并在内部形成通道，再通气体进行物理活化[20]。通过控制浸渍比与处理时间，制备特殊细孔分布的生物质活性炭，同时材料表面获得特殊官能团。以煤为原料，氢氧化钾为化学活化剂，水蒸气为物理活化剂。在活化温度为700℃，碱渍比为0.5，活化时间为60 min，BET比表面积943 m2/g，总孔容积达0.31 cm3/g[21]。

3 结语

随着国家经济与科技发展，对活性炭质量要求愈来愈高。通过活性炭表面改性控制处理，结合被吸附目标物性质，赋予活性炭良好吸附性、催化性与选择性，制备符合实际需要的专用活性炭。综合利用、节能环保、降低成本和高性价比是未来活性炭改性技术的发展方向。

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(本文文献格式：李万忠，李彦秋.活性炭表面改性控制技术研究进展[J].山东化工，2016，45(24)：63，68.)

2016-10-09

山东省中医药科学技术研究项目(2015-227)

李万忠(1970—)，山东潍坊人，副教授，主要从事中药新剂型与新技术研究。

O647.2

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1008-021X(2016)24-0063-01