活性炭因其特殊的多孔表面結(jié)構(gòu)及化學(xué)特性，能有效吸附氣體、有機(jī)色素及膠態(tài)物質(zhì)等，被廣泛運(yùn)用于化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。果殼活性炭材料來源廣且經(jīng)濟(jì)耐用，但由于其孔徑分布不均勻，比表面積較小，需要對其進(jìn)行改性處理。通常，活性炭改性可分為物理法、化學(xué)法以及物理化學(xué)聯(lián)合法。目前關(guān)于化學(xué)法改性主要有氧化改性、還原改性、負(fù)載金屬改性、酸堿改性、電化學(xué)改性和負(fù)載雜原子及化合物改性等方式。

波濤活性炭廠家通過利用氨水對果殼活性炭進(jìn)行化學(xué)還原改性，探究不同氨水濃度對改性后活性炭的表面形貌、比表面積及吸附效果的影響。通過實驗測試：“氨水濃度對果殼活性炭結(jié)構(gòu)及性能的影響”，現(xiàn)將實驗結(jié)果分析如下：

一、氨水濃度對果殼活性炭表面形貌的影響

改性前，果殼活性炭表面有較多碎屑，部分碎屑直接填充在孔洞里面，如圖1（a）所示。在5%氨水改性后，活性炭表面碎屑明顯減少并發(fā)生內(nèi)凹，出現(xiàn)大量溝槽，這些溝槽里又分布著大量孔洞，這些孔洞是微晶碳被不斷燒失，新舊孔隙頻繁交替的產(chǎn)物，而且分布比較均勻，孔徑約為1.1μm，如圖1（b）所示。

隨著氨水濃度提高到10%，改性后的活性炭表面雜質(zhì)進(jìn)一步減少，溝槽呈明顯的均勻分布，孔洞邊緣形貌更為清晰，孔徑大小均勻性較5%氨水改性樣品稍差，可以看到“孔中帶孔”的現(xiàn)象，孔洞并不完全通透，里面還有一層孔洞，可明顯增加活性炭的比表面積。而在15%氨水改性后，活性炭表面形貌及結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，堿性增強(qiáng)后溝槽遭到更嚴(yán)重的腐蝕，結(jié)構(gòu)幾乎消失，而孔洞則呈均勻分布，孔徑明顯減小，約為0.9μm。經(jīng)過20%氨水改性后，內(nèi)凹加深，重新獲得較為完整的溝槽結(jié)構(gòu)，孔洞分布較為均勻，尺寸則進(jìn)一步變小，約為0.6μm，如圖1（e）所示。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于氨水對果殼活性炭表面有一定的腐蝕作用，能腐蝕活性炭表面的孔壁。在一定范圍內(nèi)，隨著氨水濃度的增加，果殼活性炭表面的腐蝕程度不斷加強(qiáng)，所得到的溝槽結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化。

二、氨水濃度對果殼活性炭孔結(jié)構(gòu)的影響

在實際應(yīng)用中，通常是利用活性炭的微孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其吸附功能，因此，對于改性后的活性炭來說，測定不同氨水濃度對果殼活性炭微孔結(jié)構(gòu)的影響尤為重要。本實驗利用氮?dú)獾葴匚�附脫附原理進(jìn)行測定。由毛細(xì)凝聚理論可得，在不同的P/P_o下，發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的孔徑范圍各不相同。

根據(jù)凱爾文方程可知：R_k=-0.414/lg（ P/P_o），臨界半徑R_k完全取決于相對壓力P/P_o。通過測定樣品在不同P/P_o下凝聚氮?dú)饬浚�即可繪制出其等溫吸脫附曲線，再用不同的理論方法計算，就能得出其孔容積與孔徑分布曲線。通常利用BJH理論計算，稱之為BJH孔容積和孔徑分布。本實驗通過測定改性后的果殼活性炭在不同P/P_o下凝聚氮?dú)饬浚�繪制出其等溫吸脫附曲線及孔徑分布曲線如圖2，通過BJH理論計算得出其孔容及孔徑分布情況如表1。

表1 改性前后比表面積、孔容及孔徑

從圖2的吸附-脫附曲線可知，果殼活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)屬于介孔結(jié)構(gòu)。在低P/P_o區(qū)，曲線凸向上，而在較高P/P_o區(qū)，吸附質(zhì)發(fā)生毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，等溫線呈現(xiàn)迅速上升的變化。此外，由于發(fā)生毛細(xì)管凝聚，在這個區(qū)域內(nèi)還可明顯觀察到滯后現(xiàn)象，在脫附時得到的等溫線和吸附時得到的等溫線出現(xiàn)“分支”現(xiàn)象，即吸附等溫線在脫附等溫線的下方，產(chǎn)生吸附滯后，呈現(xiàn)出滯后環(huán)。通過分析吸附-脫附曲線所出現(xiàn)的滯后環(huán)可知，這種吸附滯后現(xiàn)象與孔的形狀和大小有關(guān)，主要由狹縫孔造成，與普通的粒子堆集不同，由類似層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的孔造成。

由表1數(shù)據(jù)可知，10%濃度的氨水溶液改性后，孔容增至0.0773cm³/g，達(dá)到很大。這是因為改性后隨著微晶碳被不斷燒失，新舊孔隙頻繁交替，而微孔的直徑變化并不是很明顯，只是孔洞向內(nèi)凹陷，造成了孔容的增加。從表1還可看出，在氨水濃度為10%時，活性炭的比表面積大，達(dá)到775.1382 m²/g，較改性前提高了6.5%。結(jié)合圖1可以看出，當(dāng)氨水濃度為5%和15%時，比表面積較改性前有所下降，因為在氨水濃度較低時，活性炭表面雜質(zhì)減少，而雜質(zhì)本身也具備一的表面積，并且此時的活性炭內(nèi)凹不完全，且新的微孔還未完全形成，造成比表面積下降；在氨水濃度為20%時，活性炭表面存在明顯大小不一的凹陷，導(dǎo)致比表面積下降。當(dāng)且僅當(dāng)氨水濃度為10%時，改性后的活性炭表面內(nèi)凹明顯，微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，呈現(xiàn)出“孔中帶孔”的現(xiàn)象，此時比表面積達(dá)到很大。而在其他濃度下，活性炭表面并未出現(xiàn)這一現(xiàn)象，說明10%濃度氨水所形成的“孔中帶孔”結(jié)構(gòu)對活性炭比表面積有一定的影響。此外，從圖2可知，改性前后活性炭孔徑集中分布在3.5nm。

三、氨水濃度對果殼活性炭吸附性能的影響

1、苯酚標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線的繪制

在UV2600型紫外可見分光光度計上，用1cm石英吸收池、蒸餾水作參比溶液，在200~330nm波長范圍掃描，繪制苯酚的吸收曲線。由曲線上找出λmax,并求出εmax與其所對應(yīng)的吸收度的比值,與苯酚紫外吸收光譜數(shù)據(jù)表對比，鑒定苯酚。在本實驗中，分別調(diào)配8、16、24、32、40 mg/L的苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線，如圖3所示。

2、氨水濃度對果殼活性炭吸附性能的影響

表2為果殼活性炭改性前后對苯酚的吸附率。由表2可看出，吸附效果隨氨水濃度的變化而變化（吸附時間為3h，溫度為25℃）。在改性前,活性炭吸附率為78.81%，在氨水濃度為5%時，雖然活性炭有內(nèi)凹，但是由于孔洞分布不均，堿性官能團(tuán)增加不明顯,導(dǎo)致吸附效果無明顯提高，僅為70.09%。當(dāng)氨水濃度進(jìn)一步提高，改性后的果殼活性炭吸附率比改性前有明顯提高，分別達(dá)到86.91%和86.54%。這是因為活性炭表面發(fā)生中和反應(yīng)導(dǎo)致酸性官能團(tuán)降低，親水性降低，而苯酚為疏水性且呈弱酸，在中性條件下表現(xiàn)為帶負(fù)電荷，因此，改性后的活性炭更有利于苯酚的吸附。而當(dāng)氨水濃度增加到20%時，活性炭對苯酚的吸附率為84.52%，略微下降。這可能是凹槽寬度增加，導(dǎo)致整個活性炭表面相比于之前的樣品比表面積下降，從而使苯酚的吸附率有所下降。

表2 改性前后活性炭對苯酚吸附效率表

出現(xiàn)這一吸附變化現(xiàn)象是由于活性炭的功能特性主要取決于它的表面化學(xué)性質(zhì)以及孔隙結(jié)構(gòu)，而吸附容量的大小取決于比表面積的大小以及孔隙結(jié)構(gòu)的情況，這兩者都是考量活性炭吸附特性的重要參數(shù)指標(biāo)。首先，表面化學(xué)性質(zhì)主要由化學(xué)官能團(tuán)、表面雜質(zhì)原子和表面化合物確定，而同極性或非極性吸附質(zhì)之間的相互作用力是受表面化學(xué)性質(zhì)影響。利用不同濃度的氨水對活性炭進(jìn)行表面官能團(tuán)的改性時，必然會伴隨著表面化學(xué)性質(zhì)的改變，從而改變活性炭對苯酚的吸附率。此外，孔隙結(jié)構(gòu)對于活性炭的吸附性能也有明顯影響。活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)決定其吸附物質(zhì)的容量大小。在一定范圍內(nèi)，孔徑越大，吸附效果越好。通過不同的氨水濃度對果殼活性炭孔隙大小的改變，從而造成吸附效果的變化。

3、反應(yīng)溫度對果殼活性炭吸附性能的影響

分別在不同溫度下（25、35、45、55℃研究10%-GAC對苯酚溶液的吸附情況,結(jié)果如圖4。從圖4可看出，活性炭對苯酚的吸附效率隨著溫度的升高略微上升，但總體變化不明顯。這是因為溫度的提高可以增加溶液中分子的活度并向碳表面擴(kuò)散，同樣在碳內(nèi)部的孔隙和通道的游動也加快。因此，提高溫度對于吸附率的影響不大。

三、結(jié)論

采用氨水浸漬法對預(yù)處理后的果殼活性炭進(jìn)行改性處理，隨著氨水濃度的變化，果殼活性炭的表面也隨之發(fā)生變化。當(dāng)且僅當(dāng)氨水濃度為10%時，所獲改性后的活性炭表面形態(tài)清晰，內(nèi)凹明顯，微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，呈現(xiàn)“孔中帶孔”現(xiàn)象，此時比表面積達(dá)到較大值為775.1382m²/g，較改性前提高6.5%。改性前后活性炭微孔孔徑主要集中在3.5nm處。果殼活性炭的吸附率隨氨水濃度的變化而變化，改性前，活性炭吸附率為78.81%，氨水濃度為5%時，堿性官能團(tuán)增加不明顯，導(dǎo)致吸附效果提高不明顯，為70.09%。當(dāng)氨水濃度為10%和15%時，吸附率分別為86.51%和86.54% ，吸附率相比于改性前稍有提高。而當(dāng)氨水濃度進(jìn)一步增加時，活性炭對苯酚的吸附率略微下降。