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活性炭在环境治理和监测方面的应用现状和发展叶雅（华南师范大学广州510006）摘要综述了活性炭在环境保护领域的应用现状。主要有水处理和气体处理，并展望了活性炭技术的前景和发展趋势。关键词活性炭吸附测定新进展ThePresentSituationandDevelopmentofEnvironmentalRecoveryandMonitorbyActivatedCarbonYeYa(DepartmentofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China)Abstract:Theapplicationofactivatedcarboninenvironmentalfieldwasreviewed，includingthefieldofwatertreatmentandthefieldofairpollutioncontrol.Anditexpectsthistreatment`sfutureandtendency.KeyWords:activatedcarbonadsorptionmonitordevelopment1．前言活性炭这种神奇的绿色环保吸附材料能够更广泛地应用到垃圾焚烧、室内空气净化、高速公路隧道以及大城市交通过密地区的空气治理等新的领域，应当在有效降低其成本的同时，针对特定的场合和目的有针对性地进行改性，使其能够更好地应用于环境治理.活性炭材料具有独特的孔隙结构和表面活性官能团，化学性质稳定，机械强度高，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，使用失效后可以再生，广泛地应用于环保、化工、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域2．活性炭的结构和性质2.1活性炭的孔隙结构活性炭的孔隙结构是指孔隙容积、孔径分布、表面积和孔的形状。孔径从几个nm的微孔到肉眼可以看到的大孔,孔径分布范围很宽,孔的形状又是各式各样的。活性炭的吸附能力主要决定于活性炭的孔结构,这就决定了活性炭具有多种多样的吸附能力和催化能力，而对吸附起决定作用的则是微孔。在气相吸附中,无论吸附分子大小,基本上存在微孔中,吸附容量在很大程度上取决于微孔的多少。[1]图1活性炭材料的空隙结构模型2.2活性炭的表面化学性质表面化学性质的不同对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性、电性质等都产生影响。因此,活性炭的表面化学性质的研究受到人们的高度重视。活性炭的主要元素是碳,其次是氧和氢。氧和氢的存在对活性炭的吸附性能及其它特性有较大影响,这些元素多以化学键与碳原子相结合,在活性炭表面上形成多种含氧官能团:酸性官能团、中性官能团和碱性官能团,这也是活性炭最主要的活性基团。[1]3．活性炭在环保治理、监测以及卫生方面的应用3.1作为吸附手段3.1.1防毒面具及滤毒通风装置活性炭用于防毒面具始于第一次世界大战,并且成了推动当时活性炭工业发展的重要因素。但由于气体和蒸汽状化学毒剂的种类最多,分子结构和特性各异,单一的作用难以达到全面滤毒的目的,目前世界各国均将活性炭分别浸渍铜、银、锌等金属氧化物以及吡啶、皮考啉等制成专用活性炭—催化剂。美国称作ASC活性炭或急特拉特活性炭。3.1.2活性炭材料在烟气治理中的应用煤炭燃烧在我国能源构成中占有很大的比例，而煤燃烧过程中排放出的SO2和NOx(NO和N2O)是主要的大气污染物，所以烟气污染是我国亟需解决的环境问题.在纷繁复杂的治理技术中，活性炭材料脱硫脱硝因其处理效果好、投资运行费用低、实现“资源化”、且易于再生利用等优点而引人注目.尤其是改性后的活性炭材料其脱硫脱硝性能远远好于普通的活性炭材料.[1]3.1.2.1SO2是主要的大气污染物,是造成“酸雨”的主要原因,活性炭吸附法脱硫得到了广泛的应用。但是,单一的活性炭脱硫,速度慢,效率低。提高活性炭脱硫的性能,改性活性炭引起重视,它能克服普通活性炭的某些缺点和限制,被认为是最有前景的脱硫剂之一。氨由于其较小的分子量并有极性,而较难被吸附,因此,为了取得较好的吸附效果,国内外学者研制了数种改性活性炭。结果表明,以亚铁盐和铜盐配方处理的活性炭对其有很好的吸附性能。3.1.2.2汞是易挥发的剧毒物质,对人体危害极大,因此汞蒸汽污染的防治是环保的重要课题。经化学处理的活性炭可以有效地脱除空气或其他载气中的汞蒸汽。例如,在活性炭中添加碘、银或者双硫腙等的螯合剂,对汞蒸汽的吸附能力就会变得非常大。3.1.2.3活性炭材料在空气净化中的应用人们正在开发各种高效空气净化器.活性炭材料因其优异的吸附性能被广泛地用作空气净化器中的吸附剂3.1.3活性炭在水处理中主要用于：(1)污水源的净化.用活性炭吸附水中有机物、颜色、臭味、油、苯酚等；(2)有机工业废水处理.由于活性炭对水中的有机物具有突出的去除能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦化废水处理及其他有机废水处理中.Tomaszewska等研究了Mavmee河中的有机污染物后指出：常规的处理方法不能有效地去除河水中的一些杀虫剂等物质，而活性炭则有较好的去除效果，在河水中投入10mg/L的活性炭可以将引起臭味的土臭素(Geosmin)和2－甲基异茨酸(MIB)从66mg/L降到2mg/L；(3)无机工业废水处理.某些活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力.如颗粒状活性炭对于Ag,Pd2,Cd2,CrO42等离子的吸附去除率可达85%以上.对其他金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等均具有良好的吸附能力；(4)饮用水及微污染水净化领域.臭氧生物活性炭工艺以其可以高效去除水中溶解性有机物和致癌突变物、出水安全、优质而备受瞩目和重视.在这种工艺中，活性炭起着生物膜的载体材料的作用，而且活性炭可以很快地把臭氧分解掉，使液体中的溶解氧量增加，稳定了微生物的生息环境，为好气性微生物的生长提供了保证.对主要污染物都有良好的去除效果，出水清澈、无色，可以满足多种回收使用要求.分析表明，大部分还原性污染物通过生物深度处理而被去除，而微量有机物主要由臭氧生物活性炭去除.此工艺系统具有除污染效率高、运行稳定、抗冲击能力强等优点.（5）甲醛类物质含有羰基极性基团,可以通过在活性炭表面添加一些含2NH2的亲水性有机化合物,以期通过化学吸附和物理吸附共同作用来改善非极性的活性炭对醛类物质的吸附性能。[2]3.2作为监测手段举例――氡的测定氡主要是镭、钍等元素经α衰变而产生散逸到人们的活动空间。它主要通过土壤和岩石的空隙自由运动,从地下深处迁移到地表。在采用石灰岩、磷酸盐矿渣、磷石膏和煤渣砖建造的房屋中,氡进入建筑物的速率可以高达102Bq·m3·h－1。所以,在地铁、地下室、隧道和矿井中氡的剂量会维持在一个高水平上,氡还溶于水,可从水中释放出来。测定氡的方法主要有4类,即闪烁室法、双滤膜法、电场收集子体法和活性炭法。其中由于活性炭法使用简便,得到越来越广泛的应用。南京大学最近研制出将被动式活性炭采样改为主动式活性炭采样盒。以高纯锗γ谱仪测量222Rn/220Rn的γ射线峰面积比,经计算和校正后得到222Rn和220Rn的浓度。采样盒由空气采样泵、流量计、活性炭盒(内装椰壳颗粒状活性炭)和时控电路组成。氡短寿命子体214Po的352keV峰为222Rn特征峰,清晰可辨,由此算出222Rn浓度。主动式活性炭采样系统是一种体积小、耗时少、操作方便的大气氡采样装置,尤适用于密闭空间(如隧道、地下室、地铁)中氡的采样。[3]3.3在环境卫生中的应用3.3.1室内空气净化室内空气质量是影响人体健康的主要环境因素之一。室内空气污染物的种类和数量不仅随室外空气污染状况的变化而变化,而且与建筑物所处的地理位置、用途及人们的活动等密切相关。据调查监测,室内空气中的污染气体多达数十种,可分为无机污染气体和有机污染气体两类。无机污染气体主要有：SO2、CO、NOx、CO2等。有机污染气体主要有:易挥发性有机化合物,如甲醛、甲烷、乙烯、甲胺、丁烷、甲基硫醇、乙醛、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷等;挥发性有机化合物,如正己烷、乙醇、苯、甲苯、三氯乙烷、丁醇、二甲苯、柠檬烯等;半挥发性有机化合物,如尼古丁、磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯等。业已证实,活性炭纤维对上述污染气体的吸附清除能力远大于颗粒状活性炭。以活性炭纤维为滤材的空气过滤器对二氧化硫和氮氧化物的最大去除率分别为90.14%和76.16%,使室内空气质量达到规定的卫生要求。由此可见,活性炭纤维作为净化室内空气的功能性材料具有广泛的应用前景。3.3.2劳动防护用活性炭纤维毡作为夹层的防毒、防化口罩已经面市。活性炭纤维与超细纤维结合而成的复合材料具有高强度的过滤性能和疏水性,用作口罩的罩芯还可起到隔离细菌的屏障作用,从而使得用该复合材料制成的口罩具有防毒、防化、防尘和防菌的综合效能。负载铂、钯等金属离子的活性炭纤维能选择性地除去一氧化碳,可用于制作防灾用口罩。[8]3.3.3个人生理卫生人体气味包括腋臭、汗臭及排泄物的气味等,恶臭的组分主要是胺类化合物、硫醇类化合物和低级脂肪酸等。大量的试验研究已经证明,活性炭纤维对恶臭气体的吸附能力明显大于颗粒状活性炭,具有优良的除臭效果。同时,活性炭纤维还具有透气、吸汗、耐洗涤等优良性能,因而,活性炭纤维可作为吸收人体气味的衬垫材料,置于服装的相应部位,达到除臭的目的。此外,活性炭纤维材料还可用作老年患者的坐垫或寝垫等。利用活性炭纤维的除臭性能,可将其与纸浆混合生产出具有独特功能的活性炭纤维纸,继而广泛地用于纸质生理卫生用品。[4]化妆品中含有大量的乙醇(70%),其同系物甲醇也时常被检出,我国化妆品卫生标准规定甲醇为限用物质.有研究应用活性炭纤维型固相微萃取器定量分析化妆品中的甲醇，利用ACF2SPME法对化妆品中的甲醇进行了分析.结果表明∶它有很大的吸附容量和较高的灵敏度[5]随着我国社会经济的发展,人们对生活质量的要求越来越高,对环境卫生质量及其重要性的认识也将更加深入,活性炭纤维在环境卫生领域的应用必将更为广泛。4.活性炭材料的新进展传统的炭材料为粉状或颗粒状活性炭，随着研究的深入，出现了许多新型炭材料，有的已经在环境工程中得到了应用。甚至在作为环境相容材料，在仿生材料、绿色包装、生态建材等方面也极具前景。4.1活性炭纤维（ACF）ACF是继粉状活性炭、粒状活性炭之后的第三代活性炭材料，已实现了工业化生产和应用。ACF具有比表面积大，吸附、脱附速度非常快，重量轻，生成碳粉尘少的优点，还可以加工成各种不同的形状，可与其他性能的材料形成复合材料，容易再生再利用。ACF活化生成的孔隙中90％以上是微孔，为ACF提供了巨大的比表面积。ACF具有脱除氮氧化物的能力，因此应用ACF可以实现脱硫脱硝。ACF还广泛应用于饮用水净化、劳动防护、环境监测、溶液回收等方面。[7]4.2中间相微球活性炭这种产品比表面积高达5000m2/g，可用于存储甲烷、天然气，或用于分离CO2和其他大气成分。4.3膨胀石墨膨胀石墨具有高化学稳定性、耐高温低温、耐腐蚀、导电、导热、安全无毒，还有高比表面积、高表面活性，具有良好的吸附性能。它对低浓度的NOx、SOx以及甲烷等有机蒸汽有明显的吸附效果，并且再生处理非常简单，经济性好。膨胀石墨能选择性的除去水中的非水性溶液，能被用于海上吸附浮油。4.4纳米碳管纳米碳管具有独特的性质，可以再不同的领域得到应用。如用做电子枪、电子开关、超级纤维、高温部件的防护材料等。纳米碳管的应用热点是高能量密度物质的储存。推测单壁管的储氢量可达10％（质量比），关于其储存H2、CH4等实验和理论研究都在进行。此项技术如果能够突破，则可用于汽车的燃料电池，能极大的缓解化石能源的匮乏和减轻汽车排气污染。[6]参考文献：[1]张春山邵曼君,活性炭材料改性及其在环境治理中的应用,过程工程学报2005年第5卷第2期[2]江霞蒋文举金燕张振鹏,改性活性炭在环境保护中的应用,环境科学与技术第26卷第5期2003年