活性炭表面性能及表面改性
近年來，隨著公眾環保呼聲的日益高漲，活性炭因其在廢氣和廢水處理方面的應用潛力，再次為人們所重視。美國環保屬（USEPA）的飲用水標準中64項有機污染物指標中，有51項將顆粒活性炭（GAC）列為較有效技術。因此進一步研究如何更有效地利用活性炭顯得尤為重要。就活性炭自身而言，影響其應用的因素不外乎孔隙物理結構和孔表面化學結構。孔的物理結構主要是在活化過程中形成，受活化溫度、活化時間、活化劑流量等因素的影響；而表面化學結構有酸性和堿性兩種，酸性表面官能團有羰基、羧基、內酯基、羥基、醚等，堿性表面官能團主要是吡喃酮結構或吸附的分子氧。表面化學結構可通過后期改性處理改變其酸堿性，或負載上特殊離子，從而制得具有特殊吸附性能的改性活性炭。這些表面基團對活性炭的吸附性能產生重要影響。活性炭具有很大的吸附性能主要是由其特殊的表面結構特性和表面化學特性所決定的。活性炭改性就是指用一定的方法處理活性炭使其表面官能團性質及數量發生變化，不同的處理方法可以得到不同的改性活性炭。其中，通過物理法、化學法以及物理化學聯合處理對活性炭進行物理結構特性的改性研究一直以來是人們的研究重點。對活性炭表面化學特性的改性則在上世紀末才開始逐漸受到人們的重視。
1、表面化學性質的作用
活性炭的吸附特性不但取決于它的孔隙結構，而且取決于其表面化學性質，表面化學性質決定了活性炭的化學吸附。化學性質主要由表面的化學官能團、表面雜原子和化合物確定，不同的表面官能團、雜原子和化合物對不同的吸附質有明顯的吸附差別。因此對活性炭表面進行化學改性來改變其表面化學結構使其吸附變為更具選擇性，具有深刻的實踐意義。活性炭表面官能團大致可分為含氧官能團和含氮官能團，此外還有含鹵素、硫等元素的官能團。
2、表面化學吸附機理
活性炭屬于非極性吸附劑，由于它的疏水性，使它在水溶液中可以有效地吸附各種非極性有機物質，但是吸附具有一定極性的溶質就有困難。近來人們的研究發現，表面化學官能團、雜原子和化合物作為活性中心支配了活性炭表面的化學性質。一般來說，活性炭表面含氧官能團中酸性化合物越豐富的活性炭在吸附極性化合物時具有較高的效率，而堿性化合物較多的活性炭易吸附極性較弱或非極性物質。堿性表面的獲得一般歸因于表面酸性化合物的缺失或堿性含氧、氮官能團的增加。通過對活性炭進行改性，使其表面具有一定的極性，可以增加其對極性物質吸附的能力。與此對應的增加活性炭表面的非極性，可以增加其對非極性物質吸附的能力。因此可以通過調節活性炭表面酸堿基團的含量來改變活性炭對不同極性物質的吸附性能。活性炭表面存在的雜原子和化合物可以與被吸附物形成較強的結合力，從而增加活性炭對被吸附物的吸附性能。
3、表面化學改性研究進展
① 表面氧化改性
活性炭在適當條件下經過強氧化劑進行表面處理，以提高酸性基團的含量，可以增強對極性物質的吸附能力。目前研究的熱點是通過HNO3等強氧化劑對活性炭表面進行氧化改性。Hajime Tamon等人將活性炭在沸騰溫度下經HNO3氧化改性處理，并為測試活性炭表面酸性含氧官能團的變化，研究了改性活性炭對11種不同氣體和蒸汽的吸附特性。研究發現，改性活性炭對環已胺、苯、2-丙醇和2-丁醇的吸附容量大大降低。Morwski等采用硝酸對酚基合成炭進行處理，初步的研究結果表明處理后炭對三鹵甲烷（THMS）的吸附性能大幅度提高。Vinke等采用硝酸、次氯酸對活性炭進行處理。硝酸是最強的氧化劑，可產生大量的酸性表面基團，而次氯酸的氧化性比較溫和，可調整活性炭的表面酸性至適宜值。通過氧化，活性炭的表面幾何形狀變得更加均一。范延臻等人研究了表面氧化改性對活性炭吸附各種有機物性能的影響，研究發現，硝酸氧化可顯著增加活性炭表面酸性基團的含量，提高了活性炭的表面親水性，降低pH值，并造成活性炭的結構塌陷和比表面積的減少，因而對活性炭吸附水中的苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿、四氯化碳等有機物的性能產生明顯不良影響。以去除水中有機污染物為目的的活性炭表面改性的方向應為：減少表面內酯基及羧基等含氧官能團的含量，增加活性炭表面的疏水性。
② 表面還原改性
活性炭表面在適當溫度下通過還原劑對表面官能團進行還原改性，提高堿性基團的相對含量，增強表面的非極性，從而提高活性炭對非極性物質的吸附性能。還原改性的手段主要集中在H2和N2等惰性氣體對活性炭的高溫處理和氨水浸漬處理。Manuel等人將市售活性炭進行有選擇性的改性，通過檢測改性活性炭試樣表面化學性質、結構特性以及對不同種類染料的吸附效果可以看出，活性炭表面化學性質在染料吸附過程中起到了關鍵作用。經H在700℃吹掃處理的活性炭對多種染料有著良好的吸附效果。李開喜等人用氨水對瀝青基活性炭材料進行處理，引入了豐富的含氮官能團，改性后的活性炭對SO2的脫除效果明顯優于常規活性炭。Lisovskii等人將經HNO3氧化后的活性炭在高溫下進行熱處理，使得活性炭表面酸性含氧官能團大量分解，形成了一些新的堿性部位（如不飽和碳碳鍵），所得的活性炭對SO2的吸附轉化能力有進一步提高。白村林等將氧化處理的活性炭在高溫下（800℃以上）煅燒，得到具有較強離子交換性能的堿性表面。萬福成等采用了NH3·H2O、苯胺等對活性炭進行改性時發現：活性炭表面微晶結構發生了變化，孔隙半徑增加。
