活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　碳基材料被認為是與氣體吸附，儲能和廢水處理的一種吸附材料，一般用于去除有機和無機污染物。活性炭上的有效吸附很大程度上依賴于主要骨架的表面化學和紋理特征?；罨�技術和前體的性質對表面功能具有強烈影響。因此，研究員的主要重點是通過選擇合適的前體進行所需的吸附，以最佳方式創新或改進活化方法。已經使用各種方法，包括酸處理，堿處理和浸漬方法來設計具有化學改性表面的活性炭。本期提供關于活性炭表面改性的介紹。

　　表面化學特性

　　碳基材料的表面化學基本上依賴于化學表面的異質性，這與表面上雜原子的位置有關。雜原子通常被稱為母體基質中存在的除碳以外的一組原子，例如氧，氮，氫，硫和磷。這些元素的性質和測量依賴于前體或接種方法在激活處理。通過觀察這些雜原子的性質，提出了包含雜原子的表面官能團以及芳族碳中的離域電子可以產生具有酸性或堿性表面的活性炭。

　　酸性表面

　　與酸性表面的活性炭主要包括含氧官能團。這些基團通常位于基面的外表面或邊緣上，并且在控制碳的化學性質中起主要作用。這些特定的外部位置主要被認為是吸附位點，因此這些特定點處的氧濃度對碳的吸附能力具有很大影響。廣泛的研究工作和結果表明，含碳原子的少數基團，包括羧基，色烯，內酯，苯酚，醌，吡喃酮，羰基和醚，通常位于碳表面上(圖1)。具有羧酸基團的官能團是通常用于表面酸度。其他表面酸性基團包括羧酸酐，內酯和酚羥基。

　　基本表面

　　負責活性炭的基本表面的兩個主要功能是：能夠結合質子稠合芳族結構和堿性表面官能團(例如，富含氮的官能團)的離域π電子。以前的研究探索了某些含氧的官能團，包括色烯，酮和吡喃酮，也可以促進碳的堿性(圖1)。另一方面，廣泛的研究表明，活性炭的堿性來自碳基質中的共振π電子。詳細說來，碳層中的π電子可以充當路易斯基本位點。研究了兩個系列碳的基本表面特征，證明無氧碳表面可以有效地從水介質中吸附質子。優異的吸附能力被認為是位于碳微晶基面上富含π電子的區域中的位點。因此，這些地區具有路易斯基本特征。類似地，通過在碳表面上引入富氮官能團的化學改性可以促進從大氣中吸附CO 2。氮部分通常誘導基本特征，這可以提高通過偶極-偶極相互作用，氫鍵和共價鍵合碳表面與酸性物質之間的相互作用。

　　活性炭的表面化學改性

　　活性炭具有三種不同類型的依賴于表面官能團化學性質的化學表面(酸性，堿性和中性)。通過改變表面上的官能團可以改變這些化學特性。

　　酸處理

　　為了酸化活性炭的表面，表面通常被氧化，因為它通過降低礦物質含量來增強碳表面的酸性特征和親水性。硝酸(HNO 3)，硫酸(H 2 SO 4)和磷酸(H 3 PO 4)被廣泛地用于此目的。在氧化過程中，在碳表面上產生富氧官能團，包括羧基，內酯和酚羥基。用于產生氧衍生的​​酸性基團的最常用的活化方法是通過氣體和含水氧化劑的氧化。二氧化碳，氧氣，蒸汽和空氣在氣相氧化中用作氧化劑。低溫氧化導致強酸性官能團(例如羧基)的產生，而升高的溫度導致弱酸性基團(例如酚)的形成。液相氧化使用較少的能量，因為與氣相氧化相比，低溫氧化可在表面引入更高的氧含量。

　　堿處理

　　具有堿處理的活性炭在表面上誘導正電荷，這增強了帶負電荷的部分的吸附。產生具有基本表面特征的多孔碳的最方便的方法是在高溫下用氫氣或氨處理。用氨對高溫處理(400-900℃)活性炭導致在碳表面上形成堿性氮基團。氮官能可以通過反應被摻雜有含氮(如氨，硝酸和各種胺)或活化在富含氮氣的環境中?？赡艽嬖诘牡�形式包括以下基團：酰胺，酰亞胺，內酰胺，吡咯和吡啶基。氨處理的主要作用是提高活性炭表面的堿性。除了在高溫下引入堿性氮原子外，排除氧基基團可以顯著提高活性炭的堿度。這些氮官能團通常誘導堿性，這可以通過偶極-偶極相互作用，氫鍵和共價鍵促進吸附劑和酸性物質之間的相互作用。

　　化學浸漬

　　人們普遍認為，通過浸漬適當的化學物質可以顯著提高活性炭對消除有害毒素的吸附能力?？梢詫⒔�漬解釋為活性炭內表面中化學物質的均勻分布。然而，一些研究人員引入表面官能團如浸漬技術相關聯。在這種情況下，我們指的是用不影響活性炭表面pH的物質浸漬。這些浸漬材料可以是金屬或聚合物質，其通常不會引起顯著的pH變化。浸漬活性炭表面應通過改善其內置的催化氧化能力來增強材料的主要性能，促進活性炭和浸漬劑之間的協同作用，以增強吸附并增加材料的惰性能力。多孔載體。用于生產浸漬活性炭的一般工業加工方法包括使用回轉窯或流化床用浸漬劑噴射未用過的碳。通常，浸漬材料包括氫氧化物，碳酸鹽，鉻酸鹽或硝酸鹽。

　　表面活性劑改性的活性炭

　　眾多研究努力正在致力于表面陰離子和陽離子表面活性劑。對這些表面活性劑在碳表面上的吸附的全面解釋仍不清楚。一般假設聲明表面活性劑和活性炭之間的疏水相互作用是表面活性劑在活性炭表面上吸附的主要來源。然而，這些表面活性劑改性的碳作為吸附劑直接暗示從水溶液中除去污染物是罕見的。有一種新的改性方法，其中粒狀活性炭摻雜陽離子表面活性劑，以便在小規模實驗室測試中改善從地下水中去除高氯酸鹽的ppb水平。他們發現，與原始活性炭相比，用十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)表面活性劑改性的活性炭在模擬的20-22分鐘空床中將高氯酸鹽穿透時間提高了30倍。

　　在這篇介紹中，提出了一些基于活性炭改性方面的方法，以提高水和空氣中各種污染物的吸附能力。使用不同的活化劑來誘導不同表面官能團的形成。通常，從水性環境的金屬離子的攝取需要酸性處理，而堿性誘導強烈建議用于去除陰離子污染物，有機部分和CO的2從空中。在研究了所有可能的改性方法之后，人們發現酸性處理通常是研究和使用最多的技術，可能是由于其簡單，易于使用，許多氧化劑的可用性以及已經使用的眾所周知的氧化機理。多年來。目前，研究人員的主要關注點是設計具有改性表面和優異的紋理參數的活性炭。

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