活性炭的吸附应用

杨丽娟，王 辉，李小敏

(伊犁师范大学 化学与环境科学学院，污染物化学与环境治理重点实验室，新疆 伊宁 835000)

1 引言

活性炭是一种可作为实验和生产中优良的吸附剂和催化剂的多孔材料，因为它优秀的物理性质和化学性质，再加上比表面积较大，特殊选择性吸附性能，被人们广泛地应用于环境行业和化工行业的生产、净化、精制和处理废弃产物等过程，不仅能除去许多种仅仅含有少量的且有毒有害的化学物质，也可以回收获得可以重复利用的物质。本文简要介绍了活性炭吸附技术的应用发展，以期对环保治污行业有一定的借鉴意义。

2 气相吸附

2.1 家庭空气吸附

活性炭可吸附的气体种类非常多、吸附速度较快，对于家庭净化空气和去除臭味非常有效。家庭空气污染主要包括建筑材料漆和胶中的有机物气体，以及厨房中产生的油烟，可以用活性炭吸附。活性炭有较强的吸附作用，所以常常被用于家庭装修后和公共场所等地的空气净化。

孙康等[1]以苯胺为掺氮基，制备的掺氮活性炭的氮元素的质量分数为2.05%，其各项数值如表1。

表1 是否掺氮活性炭的比较

从表1可知掺氮活性炭的总孔容积和中孔容积全部下降，但是微孔率却有所提高，有利于气相吸附。掺氮活性炭的甲醛吸附量是原来活性炭甲醛吸附量是市售活性炭的6倍。

2.2 工业废气处理

工业废气处理所涉及到的研究主要包括两方面，一是硫氧化合物、硫氢化合物等硫化物废气，二是氮氧化合物、氮氢化合物等氮化物废气。活性炭吸附是干法过程，过程中不消耗水，一般不会对环境造成二次污染，而且脱除出来的SO2等还可以加工成多种产品，可回收重复利用，避免浪费和污染[2～4]。

常磊等[5]利用微波化学法制备含7%小麦秸秆碎屑的污泥前体活性炭的最佳工艺条件是利用微波功率为500W辐照为6 min。添加7%小麦秸秆制备出的污泥基活性炭的比表面积最高为463.12 m2/g，微孔孔容为0.105 cm3/g。比表面积增加了40.15%，微孔孔容增加了56.72%。加入7%小麦秸秆碎屑制备的污泥基活性炭，对二氧化硫的最佳吸附条件为：在床层温度和高度分别为30 ℃和9 cm的条件下，以空床气速为3.28 m/min，二氧化硫入口浓度为1200 mg/m3和水蒸气含量为10%的条件，在穿透时间内，脱硫效率保持在90%以上。

3 液相吸附

3.1 工业污水中的有机物

工业污水具有水量大、有机污染物含量高、水质变化大等特点，属于难处理的废水之一，利用活性炭处理工业废水是一种高效经济的方法[6～8]。

张旭辉等[9]利用榆林长焰煤制备活性炭的比表面积和孔容积体积分别为671. 50 m2/g和0.382 cm3/g；最可几孔径为0.744 nm，说明活性炭具备微孔结构，但是原煤经热解活化后产生了相当量的中大孔结构，而中大孔表面积约占总比面积的31.06%，说明该活性炭微孔结构也较为丰富。尽管活性炭比表面积不大，但中大孔较为发达，有利于去除废水化学需氧量。其半焦活化成活性炭对化工废水的化学需氧量去除率最高达到70.97%，最优方案的活化温度850 ℃下活化3 h，蒸汽通入速率为15L/min。

3.2 工业污水中的重金属等无机物

武瑞燕等[10]以KOH为活化剂，利用莲藕炭化合成了含氮活性炭，实验表明含氮活性炭对三价铁离子的吸附量可达到25.89 mg/g，而且其对去除三价铁离子的效率高达99.61%；同时这种活性炭还存在完美的重复使用性能，在重复使用3次后，吸附量仍可达原来的80%。是复用的良好选择材料。

4 其它方面

4.1 超级电容器电极材料

超电极材料表面上的电解质正离子和负离子的吸附与脱落就是超级电容器的工作原理，它可以利用吸附过程为设备提供稳定的电能[11,12]。

徐园园等[13]利用新疆煤采用水蒸气活化法制备活性炭用作电容器电极料。经过脱灰活化的活性炭在6 mol/L KOH电解液中，电流密度0.50 A/g下的比电容为149 F/g，经过30万次循环后容量几乎没有衰减。

付一轩等[14]以竹子为前体制备活性炭，用作电容器的电极材料。当活化剂ZnCl2与蒸汽热解毛竹炭质量比为4∶1时，在1000 ℃下活化时，测得活性炭的总孔容为1.07 cm3/g，比表面积为1,536.07 m2/g，平均孔径为3.11 nm，在通入电流密度为1 A/g的电流下测得其比电容为107.4 F/g。以上条件不变，当掺杂0.5 mol/L的氯化铵时，得到的活性炭在通入1 A/g的电流下，它的最大比电容为189.2 F/g。

4.2 固体催化剂

黎先发等[15]以K2CO3为催化剂，工业碱木质素为活性炭前体，在管式电阻炉中经一步共混活化，K2CO3与碱木质素质量比为3∶5，氮气流量100 cm3/min，活化最高温度800 ℃下活化2 h，制备K2CO3/活性炭固体碱催化剂，用于餐饮废油与甲醇的酯交换反应合成生物柴油。实验表明当在醇油摩尔比为60∶4，催化剂用量为原料用油的质量的3.0%，在最高活化温度60 ℃下反应2.0 h，制备的生物替代柴油最大产率为87.5%，第3次重复利用时产率仍达到80.7%。

4.3 有机物回收利用

李鸿儒等[16]利用KOH∶石油为3∶1制备石油活性炭，以KHCO3∶石油活性炭为7∶13制备负载率为35%的石油焦基钾离子，测得比表面积最大为429.79 m2/g，总孔容容积最大为0.68 cm3/g，其碳酸化的转化率高达92.4%，最大CO2吸附量最高为61.2 mg/g。

5 结论

由于操作方便，活性炭吸附技术已经被广泛应用。但是还有很多提升空间，从上述的应用综述可以看出，活性炭应用还可以从以下方面来提高。

(1)针对种类不同的碳基，采用不同制备方法，加强其吸附机理的研究，以便研制对多种污染物都有良好吸附效果的的产品。

(2)环保型再生活性炭成为研究热点。

(3)除了在吸附废气废水等传统污染行业以外，还可以用在制备超级电容器电极材料和固体催化剂。