活性炭表面性能及表面改性
近年来，随着公众环保呼声的日益高涨，活性炭因其在废气和废水处理方面的应用潜力，再次为人们所重视。美国环保属（USEPA）的饮用水标准中64项有机污染物指标中，有51项将颗粒活性炭（GAC）列为较有效技术。因此进一步研究如何更有效地利用活性炭显得尤为重要。就活性炭自身而言，影响其应用的因素不外乎孔隙物理结构和孔表面化学结构。孔的物理结构主要是在活化过程中形成，受活化温度、活化时间、活化剂流量等因素的影响；而表面化学结构有酸性和碱性两种，酸性表面官能团有羰基、羧基、内酯基、羟基、醚等，碱性表面官能团主要是吡喃酮结构或吸附的分子氧。表面化学结构可通过后期改性处理改变其酸碱性，或负载上特殊离子，从而制得具有特殊吸附性能的改性活性炭。这些表面基团对活性炭的吸附性能产生重要影响。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的。活性炭改性就是指用一定的方法处理活性炭使其表面官能团性质及数量发生变化，不同的处理方法可以得到不同的改性活性炭。其中，通过物理法、化学法以及物理化学联合处理对活性炭进行物理结构特性的改性研究一直以来是人们的研究重点。对活性炭表面化学特性的改性则在上世纪末才开始逐渐受到人们的重视。
1、表面化学性质的作用
活性炭的吸附特性不但取决于它的孔隙结构，而且取决于其表面化学性质，表面化学性质决定了活性炭的化学吸附。化学性质主要由表面的化学官能团、表面杂原子和化合物确定，不同的表面官能团、杂原子和化合物对不同的吸附质有明显的吸附差别。因此对活性炭表面进行化学改性来改变其表面化学结构使其吸附变为更具选择性，具有深刻的实践意义。活性炭表面官能团大致可分为含氧官能团和含氮官能团，此外还有含卤素、硫等元素的官能团。
2、表面化学吸附机理
活性炭属于非极性吸附剂，由于它的疏水性，使它在水溶液中可以有效地吸附各种非极性有机物质，但是吸附具有一定极性的溶质就有困难。近来人们的研究发现，表面化学官能团、杂原子和化合物作为活性中心支配了活性炭表面的化学性质。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。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。通过对活性炭进行改性，使其表面具有一定的极性，可以增加其对极性物质吸附的能力。与此对应的增加活性炭表面的非极性，可以增加其对非极性物质吸附的能力。因此可以通过调节活性炭表面酸碱基团的含量来改变活性炭对不同极性物质的吸附性能。活性炭表面存在的杂原子和化合物可以与被吸附物形成较强的结合力，从而增加活性炭对被吸附物的吸附性能。
3、表面化学改性研究进展
① 表面氧化改性
活性炭在适当条件下经过强氧化剂进行表面处理，以提高酸性基团的含量，可以增强对极性物质的吸附能力。目前研究的热点是通过HNO3等强氧化剂对活性炭表面进行氧化改性。Hajime Tamon等人将活性炭在沸腾温度下经HNO3氧化改性处理，并为测试活性炭表面酸性含氧官能团的变化，研究了改性活性炭对11种不同气体和蒸汽的吸附特性。研究发现，改性活性炭对环已胺、苯、2-丙醇和2-丁醇的吸附容量大大降低。Morwski等采用硝酸对酚基合成炭进行处理，初步的研究结果表明处理后炭对三卤甲烷（THMS）的吸附性能大幅度提高。Vinke等采用硝酸、次氯酸对活性炭进行处理。硝酸是最强的氧化剂，可产生大量的酸性表面基团，而次氯酸的氧化性比较温和，可调整活性炭的表面酸性至适宜值。通过氧化，活性炭的表面几何形状变得更加均一。范延臻等人研究了表面氧化改性对活性炭吸附各种有机物性能的影响，研究发现，硝酸氧化可显著增加活性炭表面酸性基团的含量，提高了活性炭的表面亲水性，降低pH值，并造成活性炭的结构塌陷和比表面积的减少，因而对活性炭吸附水中的苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿、四氯化碳等有机物的性能产生明显不良影响。以去除水中有机污染物为目的的活性炭表面改性的方向应为：减少表面内酯基及羧基等含氧官能团的含量，增加活性炭表面的疏水性。
② 表面还原改性
活性炭表面在适当温度下通过还原剂对表面官能团进行还原改性，提高碱性基团的相对含量，增强表面的非极性，从而提高活性炭对非极性物质的吸附性能。还原改性的手段主要集中在H2和N2等惰性气体对活性炭的高温处理和氨水浸渍处理。Manuel等人将市售活性炭进行有选择性的改性，通过检测改性活性炭试样表面化学性质、结构特性以及对不同种类染料的吸附效果可以看出，活性炭表面化学性质在染料吸附过程中起到了关键作用。经H在700℃吹扫处理的活性炭对多种染料有着良好的吸附效果。李开喜等人用氨水对沥青基活性炭材料进行处理，引入了丰富的含氮官能团，改性后的活性炭对SO2的脱除效果明显优于常规活性炭。Lisovskii等人将经HNO3氧化后的活性炭在高温下进行热处理，使得活性炭表面酸性含氧官能团大量分解，形成了一些新的碱性部位（如不饱和碳碳键），所得的活性炭对SO2的吸附转化能力有进一步提高。白村林等将氧化处理的活性炭在高温下（800℃以上）煅烧，得到具有较强离子交换性能的碱性表面。万福成等采用了NH3·H2O、苯胺等对活性炭进行改性时发现：活性炭表面微晶结构发生了变化，孔隙半径增加。
