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活性炭表面吸附与应用
活性炭是我们生活生产中最常用的吸附剂。尤其是作为水的净化介质吸附水中有机物和重金属离子以及作为空气的清洁介质，具有稳定性好、净化效率高、可重复利用等优点。在当今全球环境不断恶化的形势下，活性炭作为高效的吸附剂也越来越得到人们的重视。
活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。是以煤、木材和果壳等原料，经炭化、活化和后处理而得。按外观形状可分为粉状活性炭、颗粒活性炭、成型活性炭和活性炭纤维。
活性炭的使用由来久,但作为人造材料，是在1900年和1901年才发明的，发明者Raphael von Ostrejko。他发明将金属氯化物炭化植物源原料或用二氧化碳或水蒸气与炭化材料反应制造活性炭。1911年在维也纳附近的工厂首次用于工业生产，当时产品是粉状活性炭，商品名使Epomit；同年在荷兰有Norit上市；1912年在捷克斯洛伐克有Carboraffin出售。
活性炭的吸附性能。　
活性炭具有很大的吸附性能。主要是由其特殊的表面结构特性和表面化学特性所决定,同时活性炭的电化学性质对吸附性能也有很大影响。有机物分子与炭表面的化学相互作用有可能相当显著,甚至超过物理相互作用。[1]
活性炭表面的物理吸附性能主要与活性炭比表面积和孔结构有关。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大的材料。活性炭孔壁的总表面积一般高达500～1700m2/g,与其他吸附材料相比,具有小微孔(半径为<0.02nm)特别发达的特征,这也是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。其中小微孔决定了活性炭的总比表面积;过渡孔(半径为0.02～1nm)起着重要的通道作用;大微孔(半径为1～100nm)则是该吸附材料微观体系[2]。
活性炭的表面化学性质决定了其化学吸附特性。活性炭表面的化学性质主要由表面的化学官能团的种类与数量、表面杂原子和化合物确定。活性炭表面官能团一般分为含氧官能团和含氮官能团。含氧官能团主要有酚羟基、羧基、羰基、内酯基、嘧啶等;含氮官能团可能存在形式有酰胺、酰亚胺、乳胺基、类毗咯基等。含氧官能团又分为酸性和碱性含氧官能团,酸性基团有羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基及环式过氧基等,其中羧基、酚羟基及内酯基为主要酸性氧化物,碱性表面的获得一般归因于表面酸性化合物的缺失或碱性含氧、氮官能团的增加[3]。一般来说，活性炭表面含氧官能团中酸性化合物越丰富的活性炭在吸附极性化合物时应具有较高的效率，而碱性化合物较多的活性炭易吸附极性较弱或非极性物质［4］，因此，表面极性较强的活性炭易吸附极性物质［5］。
活性炭的表面改性
化学官能团作为活性中心支配了活性炭表面化学性质,而活性炭表面官能团的数量和种类主要是由生产活性炭的原材料所决定,从而对成品活性炭进行改性处理以改善其吸附性能就有一定的意义。活性炭表面化学性质的改性可以从氧化改性、还原改性、酸碱处理改性、负载金属改性、酸碱改性等方面进行。
氧化改性可使酸性集团相对含量增多,还原改性可使碱性集团含量增加,从而改善活性炭对不同极性物质的吸附性能;金属离子负载可增强对某些物质的吸附效果;酸碱改性则大大改善了对金属离子的吸附。
活性炭有很多用途，下面介绍一下活性炭在水处理和空气净化以及作为催化载体的应用情况。
活性炭在水处理方面的应用。
（1）活性炭在给水处理中的应用。
当前,我国城市自来水厂一般采用的是氯氧化消毒工艺,该项工艺保证饮用水水质方面起到了重要作用,但它不能有效地去除水源水中微量可溶性有机污染物,并且其氯化消毒工艺过程中又产生了许多卤代有机物,其中有许多为致癌、致畸、致突变的三致物质。张林军等[6]在粉末活性炭在净水工程中的应用中得出,粉末活性炭对降低受污染源水的色度、挥发酚、臭和味等有很好的作用,对Mn的COD也有较好的去除效果。
（2）活性炭在工业废水与污水处理中的应用
活性炭在工业废水处理中的应用很广泛。田园等[7]针对橡胶促进剂生产废水有机毒物含量高、成分复杂等特点,采用颗粒活性炭对其进行低浓度的吸附研究表明,废水COD平均去除率达68%。张晓璇等[8]利用活性炭吸附焦化废水生物处理尾水中残留的长链烃、卤代物、多环芳烃等难降解有机物,得出酚羟基、羧基等极性基团含量少的活性炭或其他非极性有机吸附剂适合于处理该类废水。
在城市污水处理中,活性炭的应用有两种方式:其一是城市污水的三级处理;其二是用于城市污水的物理化学处理,即化学混凝沉淀处理后,再用活性炭吸附,也有在混凝沉淀、过滤、消毒后,再用活性炭吸附。
（3）　活性炭与其他水处理技术联合应用
混凝—活性炭吸附工艺在净水工程中的应用。地表水的前提有机物主要是腐殖酸和富里酸,它们与水形成大分子胶体溶液,经混凝处理可有效地去除。活性炭吸附则能有效去除水中致突变前体物,
因而对致突变前体物含量较高的水源水来说,活性炭吸附是保证饮水安全的重要工艺[9]。另外,工业上还使用其他药剂与活性炭联合去
除污染物,取得较好效果。SabirHussain等[10]投加石灰石和活性炭的混合物,处理合成纤维废水中的氨氮,当石灰石和活性炭比例为25∶15时,可以去除58%的氨氮,同时还节约了处理的成本。
　 净化空气用活性炭　　
　 净化空气用的活性炭的微孔直径，必须是略大于有毒有害气体分子直径，才具备对有毒有害气体的吸附能力。影响空气净化活性炭使用寿命的关键因素：使用环境中有害物质的总量大小以及脱附的频率。由于活性炭吸附有害气体的质量可以接近甚至达到其本身的质量，而在普通家庭空间空气中，有害气体的质量远远小于活性炭的使用量。因此，只要经常将活性炭放置在太阳下爆晒，活性炭就可以长期使用。
　　活性炭作为催化载体
　　活性炭在许多吸附过程中伴有催化反应，表现出催化剂的活性。例如活性炭吸附二氧化硫经催化氧化变成三氧化硫。
　　由于活性炭有特异的表面含氧化合物或络合物的存在，对多种反应具有催化剂的活性，例如使氯气和一氧化碳生成光气。
　　由于活性炭和载持物之间会形成络合物，这种络合物催化剂使催化活性大增，例如载持钯盐的活性炭，即使没有铜盐的催化剂存在，烯烃的氧化反应也能催化进行，而且速度快、选择性高。
由于活性炭具有发达的细孔结构、巨大的内表面积和很好的耐热性、氢环化、异构化等的反应中，活性炭是铂、钯催化剂的优良载体。
活性炭回收再生方法。
传统活性炭再生方法： ①热再生法②生物再生法③湿式氧化再生法。
　　目前新兴的活性炭再生技术：①溶剂再生法②电化学再生法③超临界流体再生法④超声波再生法⑤微波辐照再生法⑥催化湿式氧化法。
随着可持续发展观念的深入人心，活性炭再生工艺与技术日益得到人们的重视。一些传统的活性炭再生技术与工艺在近几年有了新的改进与突破。同时新再生技术也在不断涌现。虽然这些新兴技术在工艺路线上还不成熟，目前尚无法投入工业使用。但它们的出现为活性炭的再生带来了新思路与新探讨。
总结
活性炭是一种吸附性能良好的吸附剂,具有稳定的物理化学性能、机械强度高、使用失效后易再生等特点,在应用中需注意: (1)不同材质的活性炭孔径分布不同,要根据处理对象的相对分子量选择不同材质的活性炭。（2）通常都认为应用活性炭没有安全问题，但实际没有绝对的安全，对活性炭应用中的安全不能掉以轻心，对活性炭的性质和不安全的可能性要有所认识。(3)针对去除特定的污染物,可以通过对活性炭表面化学性质进行改性的方法,提高对污染物的去除效率。(4)活性炭再生后吸附性能会下降,需针对不同的吸附质,选择合适的再生方法,提高再生后的吸附性能。
活性炭被称为“万能吸附剂”，还有很多其他的用途。在活性炭的吸附机理、回收再生、表面改性等方面还有很多工作要做。

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