微波改性對活性炭性能的影響

0普通活性炭改性活性炭活性物質(zhì)是在未經(jīng)生物有機(jī)材料（包括煤炭、石油、瀝青等）的碳化和激活過程中產(chǎn)生的一種無定形碳。它具有多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、吸附容量大、速度快和飽和可再生等特點(diǎn),能夠有效地去除水中水中的臭味、天然和合成溶解的有機(jī)物、微污染物以及一些大氣中的污染氣體等,但是普通活性炭比表面積小、孔徑分布不均勻和吸附選擇性能差,故普通活性炭需要進(jìn)一步的改性,滿足實(shí)驗(yàn)和工程需要?，F(xiàn)在常采用工藝控制和后處理技術(shù)對活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,對表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改性,進(jìn)而提高其吸附性能。1用碳化合物法1.1微波作為活性炭催化的方法活性炭表面結(jié)構(gòu)的改性主要是通過物理或化學(xué)方法改變活性炭的比表面積和孔徑分布,擴(kuò)大或縮小孔徑,達(dá)到改變活性炭表面結(jié)構(gòu)的目的,從而提到活性炭的吸附能力。一般采用活化以及在活化過程中加入一些活化劑來開孔、擴(kuò)孔、創(chuàng)造新孔,而一般才用熱收縮法、浸漬覆蓋法、氣相熱解堵孔法等達(dá)到縮孔的目的。江霞等人還研究用微波來改變活性炭的表面結(jié)構(gòu)?；钚蕴康幕罨^程首先要對原料進(jìn)行炭化處理除去其中的可揮發(fā)組分,然后用合適的氧化性氣體(H2O,CO2,O2和空氣)對炭化物進(jìn)行活化處理,從而改變活性炭的空隙結(jié)構(gòu)。為了創(chuàng)造性能功能更好的活性炭,往往還會(huì)在活化過程中加入活化劑行催化?，F(xiàn)在常用的活化劑有Fe(NO3)3、Fe(OH)3、FePO4、FeBr3、Fe2(SO4)3、Fe2O3、KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等。江霞等等以普通活性炭為原料,用蒸餾水煮沸,洗滌數(shù)次,干燥至恒重,裝入石英玻璃反應(yīng)器中,放入由四川大學(xué)無線電系改裝的MCL—2型微波發(fā)生器中,在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下熱處理,控制微波功率,某一時(shí)間后,在氮?dú)庵欣鋮s至100℃以下,制得的活性炭,其表面微觀形貌發(fā)生較大變化,許多閉塞的孔被打開,中孔容積發(fā)生了變化,微孔容積基本不變,孔徑分布變化不大,只是向小孔方向發(fā)生稍微的移動(dòng)。1.2活性炭吸附法活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的改變主要是通過一定的方法改變活性炭表面的官能團(tuán)以及表面負(fù)載的離子和化合物,從而改變其表面的化學(xué)性質(zhì)達(dá)到活性炭的吸附能力的提高?；钚蕴勘砻婊瘜W(xué)性質(zhì)改性方法可分為:表面氧化法、表面還原法、負(fù)載原子和化合物法、酸堿法等。在改性過程中常常聯(lián)合不同的改性方法對活性炭進(jìn)行改性,從而達(dá)到更好的改性效果。1.2.1氧化劑的種類和用量活性炭在適當(dāng)條件下經(jīng)過氧化劑進(jìn)行表面處理,以提高酸性基團(tuán)的含量,可以增強(qiáng)對極性物質(zhì)的吸附能力。氧化劑不同,改性后表面所含官能團(tuán)的種類和數(shù)量也不同,一般氧化程度越高,含氧官能團(tuán)越多。常用的氧化劑有:HNO3、HClO、H2SO4、Cl2、H2O2、(NH4)S2O8等。1.2.2活性炭對非極性物質(zhì)的吸附能力活性炭表面在適當(dāng)溫度下通過用還原劑對表面官能團(tuán)進(jìn)行還原改性,提高堿性基團(tuán)的相對含量,增強(qiáng)表面的非極性,從而提高活性炭對非極性物質(zhì)的吸附能力。常用的還原改性方法是通過H2和N2等惰性氣體對活性炭進(jìn)行的高溫處理得到含量較多堿性基團(tuán)和在NO3·H20水中的浸漬處理得到含量豐富的含氮官能團(tuán)。1.2.3性炭表面引入特定的原子和化合物負(fù)載原子和化合物法主要是根據(jù)活性炭的具有吸附性和還原性,把活性炭浸漬在一定的溶液中,通過液相沉積的方法在活性炭表面引入特定的原子和化合物,把金屬離子進(jìn)入到活性炭表面,主要是利用活性炭的還原性,將金屬離子還原成單質(zhì)或低價(jià)態(tài)的離子。負(fù)載原子和化合物法是利用負(fù)載在活性炭上的原子和化合物與吸附質(zhì)之間的結(jié)合作用從而增強(qiáng)活性炭的吸附能力。常用的浸漬液有:Cu(NO3)2、CuCl2、Na2CO3、FeSO4、FeCl3等水溶液。1.2.4活性炭表面的官能團(tuán)酸堿改性法是利用酸、堿等物質(zhì)處理活性炭,根據(jù)實(shí)際需要停止活性炭表面的官能團(tuán)至所需要的數(shù)量。通常對活性炭進(jìn)行酸堿改性是為了改善活性炭對以銅自理為代表的金屬離子的吸附效果,常用的改性劑有HCl、NaOH、檸檬酸。2改性前后材料的性能評價(jià)活性炭改性的效果主要是通過對活性炭物理和化學(xué)性能以及對特定物質(zhì)的吸附效果改性前后的比較來衡量的,活性炭物理和化學(xué)的性能指標(biāo)以及對特定物質(zhì)的吸附見表1。2.1活性炭的孔結(jié)構(gòu)活性炭的物理性質(zhì)主要是通過活性炭空隙結(jié)構(gòu)表征。活性炭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔徑從幾nm微孔到肉眼可以看到的大孔,而且形狀又各不相同。活性炭的孔結(jié)構(gòu)對吸附能力起到一定的決定作用,活性炭的孔結(jié)構(gòu)主要是通過空隙容積、孔徑分布、比表面積、孔的形狀來表征的。它們的分析方法主要有低溫液氮吸附法、CoulerOmnisorp100CX吸附儀、ASAP2010V402氧氣吸附議、JSM—5900型低真空掃描電子顯微鏡、靜態(tài)壓差法、BET重量法、圓筒模型、密度函數(shù)理論(DFT)等。2.2活性炭的表面分析活性炭的化學(xué)性質(zhì)取決于表面所具有的官能團(tuán)、原子和化合物,是通過檢測活性炭的表面化學(xué)、表面官能團(tuán)和表面所具有的能量等表征,它們的分析方法見表2。2.3活性炭改性的復(fù)配對特定物質(zhì)的吸附主要是通過對特定物質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)中要去除的物質(zhì)的吸附,比較實(shí)驗(yàn)所的數(shù)據(jù),從而判斷活性炭改性效果的優(yōu)劣。特定物質(zhì)主要有乙醇、亞甲基藍(lán)、VB12、碘、實(shí)驗(yàn)中要去除的物質(zhì)。它們的分析方法主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)、平衡和連續(xù)實(shí)驗(yàn)、吸附等溫線實(shí)驗(yàn)等,而碘吸附一般采用GB/712496.8—1999,亞甲基藍(lán)吸附一般采用GB/712496.10—1999。3選擇碳處理方法的原則3.1吸收材料的分類根據(jù)目前研究比較多的吸附質(zhì),可以將其分類如表3。3.2表面改性研究活性炭屬于非極性吸附劑,它在水溶液中可有效地吸附各種非極性有機(jī)物,但難以吸附具有一定極性的溶質(zhì)。通過活性炭的改性可以改變活性炭表面的化學(xué)官能團(tuán)、原子和化合物,從而改變其表面的吸附性能。通常改性使其表面具有一定的極性,可以增強(qiáng)其對極性物質(zhì)的吸附,相反使其表面具有一定的非極性,可以增強(qiáng)其對非極性物質(zhì)的吸附。一般表面氧化法,以提高酸性基團(tuán)的含量,可以增強(qiáng)對極性物質(zhì)的吸附能力,但是強(qiáng)氧化劑容易使得微孔缺失,影響吸附效果,改性過程中應(yīng)注意氧化劑的強(qiáng)度,而用還原劑對表面官能團(tuán)進(jìn)行還原改性,可以提高堿性基團(tuán)的相對含量,增強(qiáng)表面的非極性,從而提高活性炭對非極性物質(zhì)的吸附能力,通過活表面負(fù)載原子和化合物,提高與吸附質(zhì)的結(jié)合力,以增強(qiáng)活性炭的吸附能力。吸附金屬和金屬離子的活性炭常采用表面氧化法和負(fù)載原子和化合物法進(jìn)行改性。李湘洲等分別用HNO3、H2SO4以及HNO3加乙酸銅溶液對活性炭進(jìn)行了表面氧化改性處理,研究對Cr(Ⅵ)的吸附性能,結(jié)果表明酸氧化表面改性處理能增強(qiáng)對Cr(Ⅵ)的吸附容量,活性炭表面的羧羥比增加,其對Cr(Ⅵ)的吸附容量也隨之明顯增加。白樹林等用HNO3(1:1)氧化處理的活性炭在300~400℃下進(jìn)行熱處理,其表面產(chǎn)生較多的酸性基團(tuán),獲得較高的陽離子交換容量,對Cr(Ⅲ)有較高的吸附能力。LotfiMonser等人用四丁基銨和二乙基二硫代氨基甲酸鈉對活性炭進(jìn)行負(fù)載原子和化合物改性,去除電鍍廢水中的銅、鉻、鋅,結(jié)果表明改性后的活性炭吸附能力更強(qiáng)。吸附氣體類無機(jī)物的活性炭常采用負(fù)載原子和化合物法或微波進(jìn)行改性。王國興等將金屬的水溶性鹽經(jīng)過分浸或共浸負(fù)載到活性炭上、該脫硫劑能有效地脫除H2S、CS2等硫化物。符若文等采用負(fù)載原子和化合物法制備了鈀和銅化合物為主的系列金屬基活性炭纖維,研究了其對CO的吸附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)載銅、鈀混合物的活性炭纖維對CO的吸附性能提高。何春紅等負(fù)載原子和化合物法對活性炭進(jìn)行改性,使其負(fù)載Ni、Co、V和Mg化合物后的活性炭吸附SO2,提高了活性炭的吸附能力。楊斌武等也用微波對活性炭進(jìn)行改性來去除SO2,結(jié)果表明微波改性后的活性炭許多閉塞的空隙打開并向內(nèi)延伸,利于SO2的傳質(zhì)過程,相應(yīng)提高了活性炭的脫硫速率。但李開喜等和Lisovskii等也研究用表面還原改性法改性活性炭去除SO2,也取得了比較好的去除效果。吸附溶液中有機(jī)物的活性炭常采用表面氧化法和負(fù)載原子和化合物法進(jìn)行改性。Morwski等采用硝酸對酚基合成炭進(jìn)行改性吸附三鹵甲烷,結(jié)果表明改性后的活性炭表面產(chǎn)生大量的酸性基團(tuán),對三鹵甲烷的吸附性能顯著提高。潘紅艷等采用不同浸漬液對活性炭進(jìn)行改性,研究了去對苯酚的吸附,結(jié)果表明浸漬液改變了活性炭的脫附活化能,從而影響了吸附效果。李晶等也用不同浸漬液對活性炭進(jìn)行改性,研究了去對苯的吸附,結(jié)果也表明了改性后脫附活化能的改變。對有機(jī)氣體的吸附研究較少,常采用何種改性方法不確定。但黃正宏等研究了濕氧化改性多孔炭對低濃度苯和丁酮蒸汽的吸附,結(jié)果表明活性炭纖維經(jīng)H2O2改性后,比表面積和微孔容積都增加了,利于低濃度苯和丁酮的吸附。張麗丹等采用酸堿改性的方法研究了活性炭吸附苯廢氣,結(jié)果表明改性后的活性炭灰分降低,提高了比表面積,改變了吸附活性,從而提高了苯的吸附量。但對活性炭改性一般不只是采用一種改性方法,往往為了達(dá)到更好的去除效果,同時(shí)采用不同的改性方法對活性炭進(jìn)行改性。姚麗群等采用先表明氧化后負(fù)載原子改性的方法,研究了活性炭吸毒有機(jī)硫化物,結(jié)果表明采用表面化學(xué)氧化法和負(fù)載金屬的方法使活性炭表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,根據(jù)某一種有機(jī)硫化物的特性,選擇不同的負(fù)載金屬氧化物的種類,會(huì)取得更好的吸附效果?？傊?對不同的吸附質(zhì)常采用的改性方法,