活性碳材料等离子处理提高吸附性能

吸附是最重要的环境污染物净化方法之一。碳材料由于具有高比表面积、丰富的孔结构和可调的表面化学性质，因而作为吸附剂被广泛使用。常用的碳吸附材料主要有活性炭和活性炭纤维等。吸附过程主要包括由分子间范德华力引起的物理吸附和由吸附剂与吸附质间化学键反应引起的化学吸附。活性炭/活性碳纤维一方面利用其丰富的孔结构及高比表面积促进污染物分子进入其内部孔道，实现物理吸附;另一方面利用其表面化学官能团与吸附质发生电子转移，形成新的化学键，从而实现化学吸附。一般来说，活性炭/活性碳纤维对于不同吸附质的物理吸附性能相差不大，但由于吸附质本身的化学性质差异较大，从而导致化学吸附性能大相径庭。所以，对活性炭/活性碳纤维表面的化学性质进行调控，以适应不同的污染物吸附，成为活性炭/活性碳纤维改性的主要目的。
诸多研究认为，碳吸附材料的表面化学改性能产生含氧官能团(如羧基、羟基、酸酐、醌基、羰基、醇基等)和含氮官能团(胺基、酰胺基、酰亚胺基、吡咯基、吡啶基)，这些基团对活性炭/活性碳纤维的吸附性能产生重要影响，不仅能解决湿环境下吸附剂吸附能力下降的问题，还能提高对特定污染物的吸附能力或降低脱附要求。碳材料的化学改性方法主要有氧化法、还原法、酸碱法和等离子体处理法等。
等离子体处理
等离子体是物质的第四态，它呈现出高度激发的不稳定态，产生大量的活性粒子，包括离子、电子、原子和分子。在碳材料等离子体改性过程中，可以向等离子体反应器引入背景气体，在表面形成不同的官能团，从而提高碳材料的吸附性能。等离子体改性不仅可以改变碳材料的物理结构，更重要的是通过背景气体在等离子体场中分解出的活性粒子与活性炭发生反应，从而改变碳材料表面的化学官能团，最终实现化学改性。
针对不同的吸附质，等离子体改性方法能够灵活的对碳材料进行氧化或还原改性，从而提升其特定的吸附能力。针对极性及易溶于水的有机物，增加亲水性官能团，如:羧基(－COOH)、羰基(－C=O－)、羟基(－OH)、醛基(－CHO)等;而针对非极性及难溶/不溶于水的有机物，增加疏水性官能团，如:烃基(－CnH2n+1、－CH=CH2、－C6H5等)、卤原子(－X)，硝基(－NO2)。
氧气等离子体处理是最为常见的等离子体改性方法。氧气等离子体处理后的活性炭表面结构略有变化，而化学性质显著变化。活性炭表面的羧基和酚羟基明显增加，酸性含氧基团浓度大大提高，从而使活性炭和有机分子之间π－π和氢键作用增强，提升其吸附能力。24463