活性炭（AC）是一系列微孔材料，用于无数商业应用，作为除去气态和液态污染物的吸附剂以及许多其他应用。活性炭是用于描述具有高度无定形结构和广泛开发的内部孔结构的碳质吸附剂家族的通用术语。AC由多种富含碳的材料制成，例如木材，煤，木质素和椰子壳。

AC的吸附现象是由于其微孔表面积大。这种相对于实际碳颗粒尺寸的大表面积使得在相对小的封闭空间中容易除去大量杂质。AC中的吸附结构由芳香族平面的有序碳原子组成。这些石墨平面形成微晶; 即，乱层叠层，类似于石墨。然而，AC中的平面的角度取向彼此是随机的，而在石墨中它们是有序的。AC总是与可观量的杂原子如氧，氢，硫和氮结合，其以官能团和/或化学键合到结构的原子的形式存在。在碳基质中，氧是以官能团形式存在的主要杂原子，包括羧基，羰基，酚，内酯，醌等。AC的独特吸附性能可受这些官能团的显着影响。AC的表面氧络合物主要由两种主要的氧化方法产生，即干燥和湿润。前者是涉及与氧化性气体（水蒸汽，CO反应的方法2在高温下（> 600℃），空气等），而湿式氧化涉及AC表面和氧化剂溶液例如含水硝酸，硫酸和邻之间的反应 - 低温/回流温度（100°C）下的磷酸和过氧化氢。

去除液体中的杂质

最小孔隙中的分子间吸引力导致吸附。存在于水中的污染物分子通过物理吸引或化学反应被吸附到活性炭的非均相表面上。物理吸引力不会改变吸附质分子结构，而化学吸附会改变吸附质分子结构。有些人喜欢将这两种现象称为物理吸附（物理吸附）和化学吸附（化学吸附）。化学物质吸附到活性炭上的两种机制是它“不喜欢”水或它被吸引到活性炭中。吸附物扩散到活性位点后，活性炭吸附通过三个基本步骤进行：

1. 物质吸附在碳表面的外部。
2. 物质以最高的吸附势能进入碳吸附孔。
3. 物质吸附到碳的内部石墨片上。

不同的起始基础材料和活化过程导致独特的孔径和孔分布。基于孔径的孔径，AC通常被描述为大孔（直径大于50纳米[nm]）; 中孔（直径2至50nm）和微孔（直径2nm）。水净化中最常用的活性炭是由沥青和无烟煤以及椰壳基原料制备的。用于活化的椰子壳和木基原料被称为可再生资源。拥有数百万英亩土地的椰子种植园继续通过去除二氧化碳为环境提供绿树的所有好处，尽管每年使用数十亿椰子壳。椰子壳基活性炭是最少尘埃，主要是微孔的，非常适合有机化学吸附。与其他类型的活性炭相比，椰壳基碳具有最高的硬度，这使其成为水净化的理想碳。

水杂质及其去除技术

水中存在的主要有毒杂质是无机物，重金属（如砷，铅和汞），离子（如氟化物和氰化物），有机物（如苯酚和三氯乙烯）和微生物污染物。应用于水净化的主要技术包括吸附，离子交换，反渗透（RO）和强化过程，如氯化和臭氧化。吸附是最有效和最经济的技术之一。AC已被证明是一种有效的吸附剂，用于去除饮用水中的各种污染物。因此，AC对水中的有机和无机污染物具有显着的亲和力; 但为了进一步提高其吸附能力并使其对金属物种等特定杂质更具竞争力，必须要对AC表面进行改性。通常，AC上酸性官能团的存在增强了它们的金属吸附能力，但这些官能团不利于有机物如酚类化合物的吸附。在修改AC之前，还需要了解影响其性能的重要因素。这些因素包括比表面积，孔体积，孔径分布和AC表面的性质。表面改性导致表面反应性，化学，物理和结构性质的变化。尽管AC作为各种污染物的吸附剂的有效性是众所周知的，但由于需要开发对特定污染物的增强亲和力并将其从工业和饮用水应用中除去，因此越来越多的关于其改性的研究越来越突出。

AC表面改性技术的类型

基于目标杂质的类型和性质，可以改变AC的表面以增强对所需杂质的亲和力。作为具有大比表面积的惰性多孔载体材料，AC能够将多种化学物质吸引到其疏水内表面上。根据应用，有不同的方法来修改AC，这使得表面可以被各种反应物接近。通常，AC的表面改性在活化步骤之后进行。如图1所示，修饰可分为三类：化学修饰，物理修饰和生物修饰。化学改性可进一步分为两大类，即产生酸性和碱性表面的那些。第三种化学改性是AC与活性金属及其氧化物的表面浸渍。物理改性主要包括热处理。生物修饰是相对较新的方法，其中环境控制的生物学方法可用于水处理和其他应用。

化学改性

众所周知，取决于表面官能团的存在，AC表面可显示酸性，碱性或中性行为。为了从水中除去重金属，已经研究了碳表面上的酸性官能团（即，含有质子供体的氧官能团），并且发现它是非常有利的，因为金属离子倾向于与带负电荷的酸基形成金属络合物。AC表面存在的主要酸性基团如图2所示。所有使用氧化剂生成酸性官能团的化学处理都与比表面积和总孔容的减少有关，这主要是由于多孔结构的破坏在氧化期间在AC内。因此，这是研究增加酸性表面基团而没有相当大的孔破坏的替代方法的主题。表面上碱性基团的化学改性通过用化学品如氨水和氢氧化钠处理AC来进行。在碱性（碱性）溶液下，预期OH-离子与AC的表面官能团反应。AC的碱处理有利于增强水中特别有机物质（如苯酚）的吸附。

表面浸渍是最重要的化学改性之一。术语浸渍定义为AC孔隙中化学物质和金属颗粒的精细分布。提出了以下三个原因用于浸渍活性炭。

1. 通过提高其内置催化氧化能力来优化AC的催化性能。
2. 促进AC和浸渍剂之间的协同作用。
3. 提高AC作为惰性多孔载体的容量。最近，用金属如银，铜，镍，铝和铁浸渍AC引起了很大的研究兴趣，因为它们对于没有浸渍剂的宿主AC不能吸引的分子具有显着高的吸附能力。用这种过渡金属浸渍的AC已经显示出增强的吸附能力和/或对氟化物，氰化物和重金属如水中砷的反应性。

物理修改

迄今为止报道的热处理是物理改性的主要方法。在惰性气氛中热处理的AC通常在性质上变为碱性。通常，上述所有化学改性技术都导致内表面积和孔体积的减少。物理改性通常导致物理特性（BET面积和总孔体积）的增强。然而，热处理的显着缺点是表面氧官能团（其是热不稳定的）可在高温下分解。这有时可能导致较小的吸附能力。正是在这种背景下，正在进一步开发有希望的改性技术如等离子体处理以增强化学特性，同时保持和/或改善物理特性。

等离子处理

等离子体氧化是一种方法，其中粒状活性炭（GAC）在受控空气或氧气存在下在真空或大气压下暴露于等离子体。在这个过程中，很少发生质地变化; 然而，GAC的表面化学将发生重大变化。在等离子体氧化期间，由于氧气自由基与位于石墨片晶外周表面的碳原子发生剧烈反应，由于氧气向碳表面的化学添加，表面酸度会增加。将来，等离子体处理的碳可以成为特种碳的来源，以去除空气或水中存在的特定污染物/污染物。研究应侧重于利用等离子体处理的潜力去除目标化学品/金属/微生物的方法和手段。等离子体处理过程需要一次性投资设备和仪器以及产生等离子体所需电力的经常性费用。因此，该方法不会过于昂贵，特别是在处理大量活性炭时。该方法还可以为碳提供灵活性，以去除各种污染物/化学品，而不会产生任何污水，也不会降低碳的效率和性能。

生物修饰

水中微生物的存在是全世界关注的问题。在过去的几十年中，由于以下原因，人们越来越关注这些生物在AC上的吸附：

• AC的吸附性能，可以增加营养素和氧气的浓度以及去除消毒剂化合物;
• AC颗粒的多孔结构，为细菌提供保护环境;
• AC上存在多种表面官能团，这增强了微生物的粘附性。

在GAC室或用于水过滤的碳块中，大尺寸细菌被捕获在活性炭中。这些被困细菌开始在活性炭室中繁殖，这是一个理想的温度环境和有机养分，可以促进生长。如果不定期更换碳介质，这种生物结垢可能导致GAC或碳块发出腐烂的气味。新的活性炭抑菌技术将有助于延长碳培养基的寿命，控制异养平板计数（HPC）的生长并防止恶臭。

NSF标准42具有针对碳室的生物静力学特性设计的测试，以测试过滤器不允许细菌生长的声称。该标准要求在含有天然异养细菌和一些有机化合物的长时间测试期间，离开过滤器的水的细菌含量不得超过进入过滤器的水的20％。（HPC细菌在2002年NSF-WHO饮用水中HPC细菌研讨会期间由一组专家微生物学家确定，没有任何健康意义。）该标准要求“产品水的异养板计数的几何平均值”每个系统的样品应不大于进水挑战样品的样品，在6到13周的测试期内，测量精度为+/- 20％，具体取决于系统的容量。试验水是含有天然HPC，200-600ppm TDS和TOC> / = 2ppm的脱氯自来水。

银浸渍

银通常用作抗微生物剂以保护多种产品免受细菌，真菌，霉菌和其他微生物的侵害。作为AgNO 3的胶体银是用于游泳池水处理的有效杀菌剂。在饮用水中使用这种胶体银也有一些限制。胶体银表面AC改性面临的两个问题是浸出水平和成本。为了克服这些问题，正在进行一些研究以引入纳米银浸渍以最小化浸出并且还降低成本。很少有公司开发出独特的纳米银浸渍工艺来解决与传统胶体银浸渍相关的问题。与常规胶体银相比，浸渍椰壳基活性炭具有几个潜在的优点，包括在输出水中不可检测水平的银。使用几种方法以非常低（<ppb级）的浓度监测水样中的Ag水平。原子光谱技术，如火焰和电热原子吸收光谱（AAS），电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）已被提出用于测定银中的银。水样。存在的机会是通过上述方法降低银含量，与传统的胶体银浸渍活性炭相比能够降低总成本。

总结和未来范围

本文简要介绍了AC的主要特点及其广泛的水净化表面改性技术。此外，在考虑去除不同类型的水杂质时讨论了这些技术的优点和缺点。化学改性，尤其是酸性处理，是最广泛使用的技术，可能是因为所需水溶液的简单性和可用性。已经表明氧化处理更有利于从水中去除重金属，而热处理通常更有利于从水中去除有机污染物。因此很明显，在AC上选择某些改性技术应该针对水中污染物种类。开发表面功能的化学处理可能在不利方面对AC的物理性质产生不利影响，反之亦然。这打开了修改的新方向同时发展AC的化学和物理特性。