活性炭的再生及改性进展研究

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　　摘要：活性炭由于具有多孔，比表面积大，发达的孔隙结构等特点而使其具有优良的吸附性能，已经被广泛应用于生活的各个方面。本文介绍了活性炭的制法与性能参数以及其再生方面存在的问题，对近年来活性炭改性上的一些研究展开论述，并对其应用前景作展望。
　　关键词：活性炭;活性炭再生;活性炭改性
　　中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）06-00-02
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.06.048
　　Abstract：Activated carbon has excellent adsorption properties due to its porous，large specific surface area and developed pore structure，and has been widely used in all aspects of life.In this paperthe preparation，performance parameters and regeneration problems of activated carbon are introduced.Some studies on modification of activated carbon in recent years are discussed，and its application prospects are prospected.
　　Key words：Active charcoal;Activated carbon regeneration;Activated carbon modification
　　活性炭（Active charcoal），亦称活性碳（Active carbon）、活化炭（Activated charcoal;Activated char）或活化碳（Activated carbon），是黑色粉末状或颗粒状的碳物质。它具有种多孔、堆积密度低、比表面积大等特点，是做过滤器的主要物料。
　　1 活性炭制法
　　目前活性炭主要有两种制法，物理活化与化学活化。物理活化通常需要两个步骤：首先，在600-900℃范围内的温度下，惰性气中（氩气或氮气等）对含碳物质碳化;然后将碳化材料暴露于温度高于250°C（通常在600-1200°C的温度范围内）的氧化气体中，如二氧化碳或水蒸汽，进行活化。化学活化是首先将原材料用酸，强碱或盐[1]，如磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钙和氯化锌等溶液浸渍，然后再在较低温度（450-900℃）下活化。化学活化优于物理活化，因为活化所需温度较低，时间较短。
　　2 活性炭性能
　　活性炭有粉状（粒径为10～50μm）和颗粒状（粒径为0.4～2.4mm）两种，通性是多孔，比表面积大。其内部的很多微孔区域，相隔仅几纳米左右。這些微孔为发生吸附提供了极好条件。活性炭的表面积通常在每克500～1700m3[2]。由于其可以非常好地吸附碘，碘容量（mg·g-1）（ASTM D28标准方法测试）可用作总表面积的指标。另外，活性炭主要性能参数是吸附速率与吸附容量。吸附速率是指单位重量活性炭在单位时间内能吸附的溶质的量。吸附容量是指单位重量活性炭达到吸附饱和时能所能吸附的溶质的量，和原料、制造过程及再生方法有关。一定温度下，达到吸附平衡时，单位重量活性炭所吸附的溶质的量常用弗罗因德利希（Freundlich）经验公式表示：
　　其中Γ通常指每克吸附剂吸附溶质的物质的量，单位为mol·g-1;x为吸附溶质的物质的量，单位为mol;m为吸附剂的质量，单位为g;C为平衡浓度，单位为mol·g-1;k，n为经验常数，由温度、溶剂、吸附质及吸附剂的性质决定（n一般在0.1～0.5之间）。
　　3 活性炭的再生
　　活性炭的再生是指活性炭吸附容量耗尽，成为饱和活性炭后，利用一定的方法恢复其吸附能力的过程。世界上最大的活性炭再生中心位于比利时Roeselare。工业过程中最常用的再生技术是热再生[3]，再生过程通常遵循三个步骤[4]：
　　（1）烘干：将吸附剂在约105°C下烘干，以去除活性炭上的可挥发成分;（2）高温炭化：在惰性气体中高温解吸和分解（500-900°C），以去除活性炭上吸附的一部分有机物;（3）高温活化：在高温（800°C左右）下通过非氧化性气体（水蒸汽或二氧化碳）进行残余有机物气化，去除前一阶段多孔结构中形成的焦化有机残留物，并重新恢复多孔碳结构，再生其原始表面特性。
　　每次热再生约损耗5%～10%的吸附容量，导致吸附能力的损失[5]。热再生是一个高能量过程，其所需的高温环境造成了能源上的浪费，商业成本也非常昂贵。热再生高能量、高成本的性质促使人们研究替代热再生的方法以减少此类过程对环境影响。目前在工业中已经采用了热再生系统的一些替代物，例如化学和溶剂再生[6]，微生物再生[7]，电化学再生[8]，超声波再生[9]，湿空气氧化[10]等。
　　4 活性炭改性研究
　　传统活性炭的表面是活性的，能够被大气中的氧气和氧气等离子、蒸汽、二氧化碳和臭氧或者各种氧化试剂[11]，如HNO3、H2O2、KMnO4等氧化。活性炭的改性就是通过在活性炭微孔的表面上形成大量的碱性或酸性基团来增加其吸附能力。
　　活性炭的吸附量不高以及再生问题使得对活性炭进行改性就显得迫在眉睫了。韩严和等[12]从活性炭表面结构特性、表面化学性质和电化学性质3个方面叙述了国内外在活性炭改性方面的研究进展;解强等[13]研究了采用低温氧、氮等离子体改性活性炭后其表面官能团种类与数量的变化规律;杨娇萍等[14]用FeCl3作为化学添加剂、CO2为活化剂，采用化学-物理混合活化法对溧阳活性炭（LAC）进行改性，研究了改性后活性炭比表面积、总孔容、孔径分布与电化学性能的变化;金璇等[15]综述了国内外学者对氧化改性和还原改性活性炭吸附有机物的研究进展;姚丽群等[16]研究了活性炭表面氧化改性后对有硫化物吸附的影响;刘宏燕[17]讨论了氧化改性活性炭对铅离子吸附性能的影响;高峰等[18]研究了硝化-还原法对高比表面积活性炭改性后对CO2的吸附性能的影响;佟莉等[19]发现用硝酸氧化法对活性炭表面处理后，改性活性炭能有效脱除单质汞;陈玉莲等[20]研究了经过不同的酸碱处理后改性活性炭对甲苯吸附性能的变化;朱燕等[21]通过实验发现，利用0.02%的NaOH溶液对活性炭改性后再利用3%的氨水对活性炭二次改性，最终甲醛去除率可达94.38%;高雯雯等[22]探讨了采用铈溶液浸渍法改性活性炭前后对苯酚的去除率。 　　5 结语
　　活性炭可以吸附水中众多有机物和金属离子，但在通常对特定有机物的吸附量很小[23]。从吸附模式上讲，Langmuir 和Freundlich 模式对于金属离子和有机物都是经典的经验模式，无法从本质上反应吸附过程。目前对于动态吸附模式和机理的研究相对缺乏，这方面应进行深入的研究，同时在NOM 背景下的吸附研究也需进一步展开。
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　　收稿日期：2019-03-07
　　作者简介：段东平（1984-），男，汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向为资源环境。
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