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(guò)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?;钚蕴?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(lái)說(shuō),活性炭/活性碳纖維對(duì)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(duì)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(duì)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(wèn)題,還能提高對(duì)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(guò)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(guò)背景氣體在等離子體場(chǎng)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(duì)不同的吸附質(zhì),等離子體改性方法能夠靈活的對(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)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