活性炭作為一種環境友好型吸附劑，具有較強的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸鹼、耐熱、不溶於水和有機溶劑、易再生等優點，對水中溶解的有機汙染物如苯類化合物、酚類化合物、石油及石油產品等具有較強的吸附能力，而且對用生物法和其他化學法難以去除的有機汙染物，如色度、亞甲基藍表面活性物質、除草劑、殺蟲劑、合成染料及許多人工合成的有機化合物都有較好的去除效果；此外，活性炭對電鍍廢水和冶煉工業廢水中的重金屬也有較強的吸附能力；對水質渾濁有明顯的澄清作用，可以除去水中的異臭、異味，對細菌也有極好的過濾作用。因此，活性炭在水處理中越來越受到重視。但是，由於普通活性炭存在灰分高、孔容小、微孔分布過寬、比表面積小和吸附選擇性能差等特點，加上其表面官能團及電化學性質的一些限制，使其對汙染物的吸附去除作用有限，遠遠不能滿足國內外市場的要求。因此，有必要對其結構和性質進行改性，以增大其吸附能力，緩解水汙染壓力。
目前，改性活性炭材料被廣泛用於汙水處理、大氣汙染防治等領域，特別是在水環境汙染治理方面越來越顯示出其誘人的美好前景。
1 活性炭改性方法
1.1 表面物理結構特性改性
活性炭的表面物理結構特性包括活性炭的比表面積、微孔體積和結構、孔徑分布，其決定了活性炭的物理吸附。物理吸附是指：當吸附質分子遠小於、小於或約等於活性炭孔直徑時，吸附質分子進入活性炭表面的孔內，從而達到吸附去除的目的。因此，活性炭的比表面積、孔徑分布等物理性質對其吸附能力有很大的影響，其中孔徑分布是影響吸附容量的主要因素。
活性炭的表面物理結構特性改性就是指在活性炭材料的製備過程中通過物理或者化學的方法來增加活性炭材料的比表面積、調整活性炭的孔隙結構及其分布，使活性炭材料的吸附表面結構發生改變，從而改變活性炭材料的物理吸附性能。
孔隙調整的目的就是使活性炭的微孔尺寸與吸附分子尺寸相當，從而提高其吸附能力。可以通過控制輕度活化程度來開孔和擴孔；縮孔則可以採用熱收縮法、浸漬覆蓋法和氣相熱解堵孔法等方法。碳沉積技術也是一種調整活性炭的孔隙結構的方法，這種方法可以使活性炭具有分子篩性質。碳沉積包括氣相碳沉積、液相浸漬後熱解碳沉積、真空浸漬碳沉積。目前，化學氣相碳沉積技術比較多用，在含苯之類的烴類氣體氛圍下，熱處理活性炭，通過烴氣體的分解析出熱解炭，縮小孔徑。
活性炭的生產一般包括兩大工序：首先對原料進行炭化處理以除去其中的可揮發組分，然後用合適的氧化性氣體（水、二氧化碳、氧氣和空氣）對炭化物進行活化處理，通過開孔、擴孔、創造新孔，進而形成發達的孔隙結構。
活性炭材料的性能除與原料有關外，還與炭化條件、炭化溫度、炭化時間、活化溫度、活化時間、活化劑種類以及活載比等有密切的關係。為了使孔隙結構更加豐富，孔徑分布更加均勻，在活化過程中可以加人一些化學活化劑。常用的活化劑有鹼金屬、鹼土金屬的氫氧化物、無機鹽類以及一些酸類，目前較成熟的化學活化劑有 KOH、NaOH、ZnCl2 和 H3PO4等，其中以 KOH 作為活化劑製得的活性炭性能最優異。
詹亮等採用 KOH 對普通的煤焦活性炭進行改性，製得了比表面積高達 3 886 m2·g-1 的超級活性炭，大大提高了活性炭的吸附能力。控制活化劑的種類及用量，可以靈活的控制活性炭的吸附特性。
1.2 表面化學性質的改性
活性炭的表面化學性質主要由表面的化學官能團、表面雜原子和氧化物決定，其決定了活性炭的化學吸附。活性炭的表面化學官能團有含氧官能團和含氮官能團，含氧官能團又分為酸性含氧官能團和鹼性含氧官能團。酸性含氧官能團使活性炭具有極性的性質。因此，僅限於吸附極性較強的化合物。而鹼性含氧官能團易吸附極性較弱或非極性物質。
活性炭表面化學性質的不同對活性炭的酸鹼性、潤溼性、吸附選擇性、催化特性等都會產生很大的影響。活性炭的表面化學性質改性就是指通過一定的方法改變活性炭吸附表面的官能團及其周邊氛圍的構造，控制其親水 / 疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結合能力，使其成為特定吸附過程中的活性點，從而可以控制其親水 / 疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結合能力。活性炭吸附表面化學性質的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性、負載金屬及化合物改性、低溫等離子體改性、酸鹼改性等進行。改性過程中常常將不同的改性方法結合起來對活性炭進行改性，從而達到更好的改性效果。
1.2.1 表面氧化改性
表面氧化改性是指利用合適的氧化劑在適當的溫度下對活性炭材料表面的官能團進行氧化處理，從而提高材料表面含氧官能團（如羧基、酚羥基、酯基等）的含量，增強材料表面的親水性即極性，增強對極性物質的吸附能力，從而達到吸附回收或廢水治理的目的。
常 用 的 氧 化 劑 主 要 有 HNO3、O3 [10]、H2O2、HClO3、H2SO4 等。其中，HNO3 是最強的氧化劑，可以產生大量的酸性基團，其他氧化劑的氧化性比較溫和，可調整活性炭的表面酸性到適宜值，經過氧化改性後，活性炭的表面幾何形狀變得更加均一。而且，所用氧化劑不同，形成的含氧官能團的種類和數量也不同，氧化程度越高，酸性含氧官能團含量越多。另外，經過強氧化處理作用，活性炭的孔隙結構會發生改變，比表面積及容積降低，孔隙變寬。而氧化處理在活性炭表面增加的羧基等酸性基團也可通過高溫處理去除且不影響由氧化引起的微孔變化。
鄭超等研究了活性炭經 HNO3 進行表面改性後對 Ru/C 催化劑的影響。結果表明，活性炭經適量的 HNO3 改性處理後，中孔有所增加，更主要的是增加了表面羧基，使活性炭的親水性得到提高，從而提高了以水溶液浸漬法製備的 Ru/C 催化劑的活性以及 Ru 的分散度；但過量 HNO3 的改性處理會使活性炭表面不穩定基團增加，不穩定基團會降低 Ru/C
催化劑的活性以及 Ru 的分散度。周勤等進行了氧化改性活性碳纖維對鉛離子吸附作用的研究，結果顯示，氧化改性後樣品對鉛離子的吸附速率非常迅速，吸附平衡時間僅需要 5 min；且氧化改性後活性碳纖維在較寬的 pH 範圍內保持著對鉛離子較高的吸附性能。劉文宏等使用濃 HNO3 分別在常溫和沸騰狀態下對活性炭進行改性，研究結果表明活性炭經常溫濃 HNO3 改性後，比表面積和孔容都明顯提高，而經沸騰濃 HNO3 改性後，比表面積和孔容卻明顯減小，但兩種改性方式都使活性炭表面產生更多的含氧基團。
1.2.2 表面還原改性
還原改性主要是指在適當的溫度下，通過還原劑對活性炭表面官能團進行還原改性，達到增加活性炭表面含氧鹼性基團及羥基官能團的含量，增強表面非極性，從而提高活性炭對非極性物質的吸附性能。常用的還原劑有 H2、N2 和 NaOH、KOH、氨水等。
Sabir Hussain 等人也認為，活性炭的鹼性主要是由於其無氧的 Lewis 鹼表面可以通過在還原性氣體 H2 或 N2 等惰性氣體下高溫處理或在氨水中浸漬處理得到鹼性基團含量較多的活性炭。在水處理中，這種經過還原改性的活性炭表面鹼性含氧基團大量增加，在一定程度上有助於對某些汙染物質特別是有機物的吸附去除[16]。Haghseresht 等研究發現，經 H2 和 N2 還原鹼性活性炭對水溶液 p-甲酚、硝基苯和 p- 硝基苯酚的吸附，較未處理過的活性炭吸附量大。有學者研究表明，KOH 鹼熔法活化是至今為止最有效的提高活性炭比表面積並降低灰分的方法。
此外，將活性炭在 NO3·H2O 水中浸漬處理也能得到含量豐富的含氮官能團。Huang 等的研究表明，活性炭滲氮改性後樣品中 N 含量顯著增加，而 O 含量則相應降低，C 和 H 的變化不大，這表明 N 含量的增加是以 O 含量的降低為代價的。
李開喜等採用氨水對瀝青基活性炭材料進行處理，在活性炭上引入了豐富的含氮官能團，改性後的活性炭對 SO2 的脫除效果明顯優於常規活性炭，活性炭表面類吡啶環上的氮原子含有孤對電子，呈現出較強的鹼性，對 SO2 具有很好的吸附能力。萬先凱等也證實活性炭滲氮處理後還原 NO 的活性增強。
1.2.3 負載物質改性
負載物質改性包括負載金屬離子、化合物或其他雜原子。負載金屬改性大都是利用活性炭對金屬離子的還原性和吸附性，使金屬離子先在其表面上吸附，再還原成單質或低價態的離子，並通過金屬離子或金屬對被吸附物的較強結合力，增加活性炭對被吸附物的吸附性能。常用來負載的金屬離子有銅離子、鐵離子和銀離子等。
負載化合物或雜原子改性的原理則是通過液相沉積的方法在活性炭表面引入特定的雜原子和化合物，利用這些物質與吸附質之間的結合作用，增加活性炭的吸附性能。常用的浸漬液有：Cu(NO3)2、CuCl2、Na2CO3、FeSO4、FeCl3[23]等水溶液。
楊嬌萍等以 FeCl3 為化學添加劑、CO2 為活化劑，採用化學 - 物理混合活化法對活性炭進行了改性，實驗表明，FeC13-CO2 體系能明顯改進活性炭的孔結構和孔徑分布，經改性後活性炭平均孔徑稍有下降，但比表面機和總孔容都較原料炭增加了一倍，孔徑分布更趨均勻。張朝紅等採用硫酸鐵改性活性炭，在微波輻照下對甲基橙和對硫磷的降解進行了研究，降解效率均較未改性活性炭有明顯提高。Chen等人的研究表明，由於腐殖酸與銅離子有特異的結合力，而且由於腐殖酸的吸附，使活性炭的離子強度增強，從而增加了銅離子的吸附能力，銅離子的吸附動力學可用擴散模型來描述。從而可以認為，如果活性炭事先負載適量的銅離子再用來吸附腐殖酸，可以取得對腐殖酸更好的去除效果。Maruyama等報導了用載有鉑的各種活性炭在氧化還原過程中，可以達到增強有機酸吸附作用的效果。結果表明，以活性炭作為鉑的載體在電解液燃料電池電催化方面可以提高其氧氣還原的活性。其中載有三氟代甲烷的活性炭的吸附效果最明顯。Valix 等研究了通過雜原子與活性炭上的碳芳香環結合，進行表面改性及其各自對鉻吸附的影響。Amjad 等把二氧化鈦鍍在活性炭表面上，用於 TiO2/AC 光催化劑的製備，並作用於汙染物的光降解。通過快速簡單的消 化 過 程 用 分 光 光 度 計 數 值 分 析 、 研 究 了 在TiO2/AC 光催化劑中 TiO2 的數量。同時在該過程中，控制微波開關周期來進行協同消化。
1.2.4 低溫等離子體改性
低溫等離子技術既能改變活性炭表面化學性質，又能控制其界面物性，在活性炭材料的表面處理方面顯示出獨到的優勢。這種改性技術一般是通過氧氮等離子體 （oxygen plasma，P-O2；nitrogen plasma，P-N2） 、CF4 等離子體改性活性炭，在其表面引入含氧、氮和含氟的官能團，或是通過電暈放電、輝光放電和微波放電等方法產生等離子體，以提高活性
炭的表面能。
解強等用低壓 O2/N2 等離子體對商品煤基活性炭進行表面改性，研究發現活性炭經 P-O2 改性後在炭表面上引入大量的含氧官能團，經 P-N2 改性的活性炭隨著活性炭表面改性強度的提高，表面含氧酸性官能團逐漸減少含氮官能團逐漸增加，獲得富含硝基、胺基和醯胺基的活性炭。邱介山等人利用電暈放電、輝光放電和微波放電的方法產生等離子體，然後對活性炭進行改性，可以提高表面能。陳杰瑢等對活性炭纖維進行遠程等離子體表面改性，研究發現活性炭纖維經遠程等離子體表面改性後，其表面含氧官能團增加，對鹼性染料結晶紫的吸附性能增強。
1.2.5 酸鹼改性
酸鹼改性是利用酸、鹼等物質處理活性炭，使活性炭表面官能團發生改變，並根據實際需要調整活性炭表面的官能團至所需要的數量製得功能化高品質專用活性炭。目前常用的酸鹼改性劑有 H2O2、HNO3、HClO、HCl、檸檬酸、NaOH、氨水等。
劉守新等研究了酸鹼兩步改性對活性炭吸附水相中 Cr(Ⅵ)的影響。將活性炭(AC0)在 HNO3 溶液中氧化(AC1)，然後在 NaOH 和 NaCl 的混合液中處理(AC2)。研究發現活性炭經 2 步改性後其對 Cr(Ⅵ)的吸附容量和吸附速度均顯著改變。吸附容量和吸附速度大小依次為 AC2>AC1>AC0；改性活性炭表面積下降，表面含氧酸性官能團數量增加；HNO3 液相氧化處理使活性炭表面生成帶正電含氧酸性官能團，第2 步改性後活性炭表面酸性官能團 H+ 部分被 Na+ 取代表面酸性降低；認為表面較多的含氧酸性官能團（與 AC0 相比） 、適宜的表面 pH （與 AC1 相比）是AC2 所表現出較高 Cr(Ⅵ)吸附容量的主要原因。
1.3 電化學性質的改性
活性炭的電化學性質同時決定了物理吸附和化學吸附。由於活性炭是由石墨晶體和無定型碳組成，因此，它具有較強的導電性能。具有捕捉電荷的能力，使其表面帶有一定的電荷。電化學改性是指利用微電場，使活性炭表面的電性和化學性質發生改變，從而提高吸附的選擇性和吸附性能。郭亞萍對活性炭電吸附處理水中氯仿進行了研究，從吸附動力學與吸附熱力學角度兩方面研究了加電場對活性炭吸附水中氯仿的影響。發現活性炭吸附量隨電位的增加而逐漸提高，吸附速度加快；陽極極化有利於活性炭對氯仿的吸附，陰極極化抑制活性炭對氯仿的吸附。
2 改性活性炭在水處理中的應用
開拓活性炭應用是發展活性炭工業的先導。幾乎大部分行業，包括化工、電力、環保、原子能、國防、航天等科學領域，以及人類日常生活都在不同程度地利用活性炭。特別是隨著人們對環境保護要求的提高，進一步研究如何更有效地利用活性炭就顯得尤為重要。由於改性活性炭吸附性能更好，因此，改性活性炭的應用越來越受到重視。
2.1 去除水中有機物
Maruyama 等報導了用載有鉑的各種活性炭在氧化還原過程中，可以達到增強有機酸吸附作用的效果；潘紅豔等採用不同浸漬液對活性炭進行改性，研究了去對苯酚的吸附，結果表明浸漬液改變了活性炭的脫附活化能，從而影響了吸附效果。李晶等也用不同浸漬液對活性炭進行改性，研究了去對苯的吸附，結果也表明了改性後脫附活化能的改變。
同時採用不同的改性方法對活性炭進行改性，往往能夠達到更好的去除效果。姚麗群等採用先表明氧化後負載原子改性的方法，研究了活性炭吸毒有機硫化物，結果表明採用表面化學氧化法和負載金屬的方法使活性炭表面化學性質發生改變，根據某一種有機硫化物的特性，選擇不同的負載金屬氧化物的種類，會取得更好的吸附效果。
2.2 去除水中重金屬及重金屬離子
改性活性炭不僅可以通過吸附作用去除水中的有機物，而且可通過多種機理去除水中的重金屬離子等無機汙染物。一般對粉末活性炭進行二次改性，引入活性炭吸附重金屬離子中起重要作用的官能團，即羧基、羥基和氨基，可以得到性能更加優良的吸附材料，用於吸附汙水中的重金屬離子。
範延臻等研究了改性活性炭的表面特性及其對金屬離子的吸附性能，他們用濃度為 13.2 mol·L-1HNO3 溶液，以 4∶1（HNO3 溶液體積：活性炭質量）混合，在 100 ℃回流 l h 後，對煤質活性炭進行改性，該方法可明顯提高活性炭對水中 Pb2+ 的吸附量，與未改性活性炭相比，對 Pb2+ 的飽和吸附量提高了105 倍。白樹林等用硝酸（以 1∶1 比例與活性炭混合）在沸騰溫度下對活性炭進行氧化改性，然後在300～400 ℃加熱處理，製得具有較強離子交換能力的改性活性炭。結果表明，這種方法製得的改性活性炭有較高的陽離子交換容量，對 Cr(Ⅲ)較高的吸附交換能力。Monser 等人用四丁基銨和二乙基二硫代氨基甲酸鈉對活性炭進行負載原子和化合物改性，去除電鍍廢水中的銅、鉻、鋅，結果表明改性後的活性炭吸附能力更強。吸附氣體類無機物的活性炭常採用負載原子和化合物法或微波進行改性。
2.3 去除其他物質
氧化處理的活性炭在高溫（800 ℃以上）下煅燒，可獲得較高陰離子交換容量的活性炭，對陰離子有較強的吸附交換能力。
王琳等利用強氧化劑對活性炭進行改性，改變了活性炭表面官能團的性質，使原來具有催化還原能力的官能團改性為具有氧化能力的官能團，從而抑制了活性炭吸附水中亞硝酸鹽的形成，出水中亞硝酸鹽的質量濃度從未改性活性炭的 2.0 mg·L-1 降低為改性後的 0.01 mg·L-1。Maria Tomaszewska 等研究了某河中的有機汙染物後指出，常規的處理方法不能有效地去除河水中的一些殺蟲劑等物質，而經一定濃度的 NaOH 等化學藥劑改性後的活性炭則有較好的去除效果，在河水中投入 10 mg·L-1 的改性活性炭可以將引起臭味的土臭素(Geosmin)和 2- 甲基異茨酸（MIB）從 66 mg·L-1 降到 2 mg·L-1。陳穎等用載鎳活性炭對含活性紅 X-3B 廢水進行處理，去除率能達到 98.74%以上，較不加金屬的活性炭去除率提高 30%。鄭旭熙等[49]研究活性炭負載納米 TiO2的光催化降解性能和影響甲基橙廢水處理的主要因素，結果表明，用溶膠 - 凝膠法製備 TiO2 活性炭催化劑具有比表面積大、分散性高、光催化降解性能好、可重複利用等優點。
3 結語及展望
（1）表面物理結構特性的改性可以增大活性炭的比表面積和改變其孔徑分布，使活性炭的微孔與吸附分子尺寸相當，提高活性炭對吸附質的吸附能力。通過對經表面物理結構特性改性後的活性炭進行孔徑控制、表面化學性能修飾及負載金屬，可使活性炭的吸附性能大大提高。由於活性炭的吸附性能與孔徑和吸附質分子直徑的比值有很大的關係，當孔徑和吸附質分子直徑的比值為 2～10 時，活性炭的吸附性能最佳。因此，今後活性炭結構性能方面的改性將朝著這方面發展，製造出比表面積很大、且孔徑集中在某一值範圍內的超大級活性炭。
（2）氧化改性可使酸性集團相對含量增多，還原改性可使鹼性集團含量增加，從而改善活性炭對不同極性物質的吸附性能；金屬離子負載可增強對某些物質的吸附效果；低溫等離子技術既能改變活性炭表面化學性質，又能控制其界面物性，可大大提高活性炭對各種汙染物質的吸附去除能力；酸鹼改性則大大改善了對金屬離子的吸附。活性炭改性在水處理中的方向應根據汙水水質和原活性炭的性質確定。活性炭表面改性的同時，伴隨著表面化學結構
的變化，其表面基團、孔容積和孔徑分布等都會發生改變，這也會大大影響活性炭的吸附性，因此在進行表面化學改性時要考慮物理結構和化學結構雙重變
化引起的影響。
（3）電化學性質的改性不需要加化學藥劑，也不需要加熱，因此不會造成對環境的汙染，能耗低，都在幾百毫伏內進行，操作方便。此外，從吸附和再生一體化方面考慮，電化學改性和再生能一體化，即吸附和再生能在同一操作體內進行無需拆裝，減少了不少麻煩。因此電化學改性是今後的發展方向。
（4）目前，關於改性活性炭對水中無機物吸附機理的研究還很少，對有機物的吸附機理也不完善，尚有許多亟待解決的問題。為了進一步提高活性炭對不同汙染物的吸附效能，研究將各種改性方法結合起來對活性炭進行協同改性、活性炭負載納米TiO2 的光催化降解與活性炭的生物吸附，將會是今後的研究重點。
活性炭吸附法在揮發性有機物治理中的應用研究進展
活性炭催化臭氧氧化處理染料廢水生化出水研究
分子納米電池殺菌炭的製備及其性能研究
載銅活性炭的製備及甲醛吸附研究