1 前 言 

活性炭材料是一種重要的無定形碳素材料，為黑色多孔固體，孔隙結構發達，具有巨大的比表面積，一般可高達1000～3000 m²/g，對氣體、溶液中的無機或有機物質及膠體顆粒等都有很強的吸附能力。 作為一種性能優良的吸附劑，活性炭材料具有獨特的孔隙結構和表面活性官能團，化學性質穩定，機械強度高，耐酸、耐堿、耐熱，不溶于水和有機溶劑，使用失效后可以再生，廣泛地應用于環保、化工、食品加工、濕法冶金、藥物精制、軍事化學防護等各個領域^[1]。

2 有關活性炭材料

2.1活性炭材料的種類

    活性炭材料主要是指活性炭和活性炭纖維。其中活性炭按外形來分有粒狀炭（常以果殼和媒等作原料，多用作催化劑載體、凈化水、回收吸附各種有機氣體）和粉狀炭（200目以下，多用于食品、藥物脫色或藥用），還有所謂氮化活性炭、炭分子篩等^[2]；活性炭纖維按外形分有活性炭纖維布或纖維板等。

2.2活性炭材料的孔隙結構

活性炭材料具有多種用途的最主要原因在于其多孔性結構。活性炭材料具有各種孔隙，可以發揮不同的功能. 微孔(直徑<2 50="">50 nm)通過微生物及菌類在其中繁殖，就可以使無機的碳材料發揮生物質的功能^[3]。

活性炭材料的結構比較特殊，從晶體學角度看，屬于非結晶性物質，是由微細的石墨微晶和將這些石墨微晶連接在一起的碳氫化合物組成^[4]。

活性炭質材料的內部是由無數具有很小孔徑的毛細管孔組成的。其90 %的表面積都在直徑< 2μm 微孔上,活性炭質材料中起主要吸附作用的就是這些微孔。由于構筑微孔的石墨微晶之間的納米級的距離,相對孔壁之間相互疊加的分子力場使微孔中形成強大的吸附勢能場^[5] 。微孔空間內強大的表面能使得吸附質分子脫離其本體相進入微孔,同時,在吸附過程中微孔空間物理結構的改變和吸附態分子性質使得在微孔空間內可以發生許多在常規條件下不能發生或很難發生的化學反應。

2.3 活性炭材料表面官能團

活性炭材料在制備過程中由于灰分和其他雜原子的存在，使其基本結構產生缺陷和不飽和價，氧和其他雜原子在活化過程中可以吸著于這些缺陷上，形成各種官能團，因而使活性炭材料產生了各種吸附特性. 對活性炭材料產生重要影響的化學官能團主要是含氧官能團和含氮官能團^[6-8]。活性炭材料表面可能存在下面幾種含氧官能團：羧基、酸酐、酚羥基、羰基、醌基、內酯基、乳醇基、醚基，還有酰胺、酰亞胺、內酰胺、吡咯和嘧啶等含氮官能團。

3 活性炭材料的改性^[3]

  3.1 活性炭材料吸附表面結構改性

活性炭材料的吸附表面結構改性就是指在活性炭材料的制備過程中通過物理或者化學的方法來增加活性炭材料的比表面積、調節孔徑及其分布，使活性炭材

料的吸附表面結構發生改變，從而改變活性炭材料的物理吸附性能.

通常的活化過程包括兩個步驟:首先對原料進行炭化處理以除去其中的可揮發組分，然后用合適的氧化性氣體(H₂O, CO₂, O₂ 和空氣)對炭化物進行活化處理，通過開孔、擴孔、創造新孔，進而形成發達的孔系結構.

 3.2 活性炭材料吸附表面化學性質改性

活性炭材料的吸附表面化學性質改性就是指通過一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能團及其周邊氛圍的構造，使其成為特定吸附過程中的活性點，從而可以控制其親水/疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結合能力。活性炭材料吸附表面化學性質的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性以及負載金屬改性等進行。

4 活性炭材料在環境治理中的應用

活性炭材料作為一種極其重要的吸附劑，在環境保護領域被廣泛用于污水處理、大氣污染防治等方面。

4.1 活性炭材料在水處理中的應用^[3][9]

活性炭在水處理中主要用于：(1) 污水源的凈化。活性炭吸附水中有機物、顏色、臭味、油、苯酚等；(2) 有機工業廢水處理。由于活性炭對水中的有機物具有突出的去除能力，對一些難以被生物降解的有機物更有獨特的去除效果而被用于制革廢水處理、造紙染料化工廢水處理、焦化廢水處理及其他有機廢水處理中。3) 無機工業廢水處理。一活性炭對于廢水中無機重金屬離子具有一定的選擇吸附能力. 如顆粒狀活性炭對于Ag⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, CrO₄^2-等離子的吸附去除率可達85%以上. 對其他金屬離子如銻、鉍、錫、汞、鈷、鉛、鎳、鐵等均具有良好的吸附能力。。用ACF（活性炭纖維）處理不同濃度的含酚有機廢水不僅吸附速度快而且再生容易。(4) 飲用水及微污染水凈化領域。ACF對飲用水凈化有特殊功能,載銀的ACF 具有很好的抗菌活性,可用來軟化飲用水并除去水中的細菌。

4.2活性炭材料在煙氣治理中的應用^[3][10][11]

煤炭燃燒在我國能源構成中占有很大的比例，而煤燃燒過程中排放出的SO₂ 和NO_x(NO和N₂O)是主要的大氣污染物，所以煙氣污染是我國亟需解決的環境問題。改性后的活性炭材料其脫硫脫硝性能遠遠好于普通的活性炭材料。

活性炭脫硫脫硝機理：活性炭具有大的表面積、良好的孔結構、豐富的表面基團、高效的原位脫氧能力，同時有負載性能和還原性能，所以既可作載體制得高分散的催化體系，又可作還原劑參與反應，提供一個還原環境,降低反應溫度。

在活性炭的表面SO₂被氧化吸收形成硫酸，其反應式:

2SO₂+O₂+2H₂O→2H₂SO₄

與此同時在吸收塔內還存在以下的副反應：

NH₃+H₂SO₄→NH₄HSO₄

NH₃+H₂SO₄→(NH₄)2SO₄

吸收塔加入氨后，可脫除NO，反應式為：

4NO+O₂+4NH₃→4N₂+6H₂O。

改性活性炭材料脫硫脫硝就是首先利用活性炭材料的吸附性能將煙氣中的污染氣體SO₂和NO_x活性炭材料表面，在活性炭材料表面官能團或擔載金屬的催化作用下，將SO₂和NO_x轉化為SO₃和無污染的N₂或NO₂。水蒸汽存在的情況下，SO₃將會與水結合生成硫酸回收。

活性炭纖維應用于煙道氣中連續脫除SO₂。SO₂在活性炭纖維上吸附后,在氧氣存在下被催化氧化為SO₃,再與煙氣中的水蒸氣作用形成硫酸,后者被活性炭纖維上冷凝的過量水洗脫,從而空出SO₂吸附部位,使SO₂的吸附、氧化、水合及硫酸的解吸等循環連續不斷地進行下去,這樣既可避免炭材料由于磨損或再生導致碳的損耗及活性下降,也可避免對炭材料的頻繁再生,從而降低操作運行成本。

ACF（活性炭纖維）對空氣中的其他污染物如硫化氫、氮的氧化物、揮發性有機化合物等也有很好的吸附作用。鄭經堂等人用銅鹽浸漬活性炭纖維在惰性氣氛中高溫處理一定時間制得脫臭材料,該脫臭劑能夠有效地脫除空氣中的惡臭氣體硫化氫。^[12]

 4.3 活性炭材料在空氣凈化中的應用

在實際的工業生產過程中，為了改善作業環境、保護作業人員的健康等，通常采用換氣的方式凈化作業室的環境。活性炭材料因其優異的吸附性能被廣泛地用作空氣凈化器中的吸附劑。

結語 活性炭纖維由于其優異的性能使其研究、開發和應用在近20年取得了飛速的發展。為了使活性炭這種神奇的綠色環保吸附材料能夠更廣泛地應用到垃圾焚燒、室內空氣凈化、高速公路隧道以及大城市交通過密地區的空氣治理等新的領域，應當在有效降低其成本的同時，針對特定的場合和目的有針對性地進行改性，使其能夠更好地應用于環境治理。