吸附是最重要的環(huán)境污染物凈化方法之一。碳材料由于具有高比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)和可調(diào)的表面化學(xué)性質(zhì)，因而作為吸附劑被廣泛使用。常用的碳吸附材料主要有活性炭和活性炭纖維等。吸附過程主要包括由分子間范德華力引起的物理吸附和由吸附劑與吸附質(zhì)間化學(xué)鍵反應(yīng)引起的化學(xué)吸附。活性炭/活性碳纖維一方面利用其豐富的孔結(jié)構(gòu)及高比表面積促進(jìn)污染物分子進(jìn)入其內(nèi)部孔道，實(shí)現(xiàn)物理吸附;另一方面利用其表面化學(xué)官能團(tuán)與吸附質(zhì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成新的化學(xué)鍵，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)吸附。一般來說，活性炭/活性碳纖維對于不同吸附質(zhì)的物理吸附性能相差不大，但由于吸附質(zhì)本身的化學(xué)性質(zhì)差異較大，從而導(dǎo)致化學(xué)吸附性能大相徑庭。所以，對活性炭/活性碳纖維表面的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，以適應(yīng)不同的污染物吸附，成為活性炭/活性碳纖維改性的主要目的。
諸多研究認(rèn)為，碳吸附材料的表面化學(xué)改性能產(chǎn)生含氧官能團(tuán)(如羧基、羥基、酸酐、醌基、羰基、醇基等)和含氮官能團(tuán)(胺基、酰胺基、酰亞胺基、吡咯基、吡啶基)，這些基團(tuán)對活性炭/活性碳纖維的吸附性能產(chǎn)生重要影響，不僅能解決濕環(huán)境下吸附劑吸附能力下降的問題，還能提高對特定污染物的吸附能力或降低脫附要求。碳材料的化學(xué)改性方法主要有氧化法、還原法、酸堿法和等離子體處理法等。
等離子體處理
等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，產(chǎn)生大量的活性粒子，包括離子、電子、原子和分子。在碳材料等離子體改性過程中，可以向等離子體反應(yīng)器引入背景氣體，在表面形成不同的官能團(tuán)，從而提高碳材料的吸附性能。等離子體改性不僅可以改變碳材料的物理結(jié)構(gòu)，更重要的是通過背景氣體在等離子體場中分解出的活性粒子與活性炭發(fā)生反應(yīng)，從而改變碳材料表面的化學(xué)官能團(tuán)，最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)改性。
針對不同的吸附質(zhì)，等離子體改性方法能夠靈活的對碳材料進(jìn)行氧化或還原改性，從而提升其特定的吸附能力。針對極性及易溶于水的有機(jī)物，增加親水性官能團(tuán)，如:羧基(－COOH)、羰基(－C=O－)、羥基(－OH)、醛基(－CHO)等;而針對非極性及難溶/不溶于水的有機(jī)物，增加疏水性官能團(tuán)，如:烴基(－CnH2n+1、－CH=CH2、－C6H5等)、鹵原子(－X)，硝基(－NO2)。
氧氣等離子體處理是最為常見的等離子體改性方法。氧氣等離子體處理后的活性炭表面結(jié)構(gòu)略有變化，而化學(xué)性質(zhì)顯著變化?；钚蕴勘砻娴聂然头恿u基明顯增加，酸性含氧基團(tuán)濃度大大提高，從而使活性炭和有機(jī)分子之間π－π和氫鍵作用增強(qiáng)，提升其吸附能力。24463