竹炭的吸附性能及应用研究进展

一些研究只注重环境温度和 pH 值其中一个因 素的改变对竹炭吸附能力的影响.张江南等[11]实验 发现一维纳米竹炭对 Pb2+的吸附能力随着 pH 值的 增加而增大.当溶液的 pH 值升高时，Pb2+表面官能团 离解提供更多的吸附点来吸附更多的金属离子.在 pH 值大于 6.2 时，Pb2+与溶液中的 OH-作用产生白 色絮状沉淀 Pb（OH）2，使 Pb2+的去除率迅速增加. Wang 等[15]发现竹炭对 Cd2+的去除率在 pH=8 时达到 最大.周珊等[18]发现竹炭固定化微生物去除水中氨氮 物质在 pH=8 时效率最高.因为在水样为偏碱性的条 件下，有利于硝化菌对氨氮的转化.张启伟等[19]用改 性竹炭对水中 Ag+吸附的实验结果表明，环境温度
增加竹炭的吸附能力，还可以用强氧化剂氧化、 NaOH 处理、生物法和催生纳米管等方法.强氧化剂 氧化（如 HNO3，KMnO4）竹炭，可以增加竹炭的比表 面积和孔径，并在表面产生羰基、羟基等含氧活性基 团，从而增加竹炭的吸附能力.用 NaOH 处理竹炭可 以使表面游离碳和含氧群增加，从而增加竹炭的吸 附能力.用生物法在竹炭表面生成微生物，从而增加 竹炭对污水中氨氮等有机物的去除率.周建斌等[8]用 生物法改性的竹炭对污水中 COD、氨氮、色度和浊 度的去除率分别可以达到 94%，98%，86%和 91%. 随着纳米技术的应用发展，纳米在竹炭吸附能力改 进方面开始得到运用.程大莉等[9]用比表面积和孔径 分析技术分析经过纳米 TiO2 改性的竹炭，发现其比 表面积、孔容积、孔径都有所增加.戴嘉璐等[10]用掺氮 的 TiO2 改性竹炭，结果发现竹炭的光催化性能得到 明显的提高.张江南等[11]通过在竹炭表面形成一维
（1.漳州职业技术学院 食品与生物工程系，福建 漳州 363000；2.厦门市气象局，福建 厦门 361012）
摘 要：竹炭是一种多孔、比表面积大的新型炭材料，其价廉易得、吸附性能好，在污水处理方面已经得到了广泛
的应用.探讨了竹炭预处理、吸附动力学、吸附热力学和吸附的影响因子，介绍了竹炭在水环境中的应用.竹炭作
要.解释竹炭物理吸附的动力学过程常用的有：
一级动力学方程 ln（qe-q）t =ln qe-K1t ，
二级动力学方程
t qt
=
1 K2q2e
+1 qe
t
.
式中：K1 是一级吸附速率常数，min-1；K2 是二级吸附
速率常数，g（/ mg·min）；qe 是吸附平衡时的吸附量，
mg/g；qt 是吸附 t 时刻的吸附量，mg/g.
竹炭还可以吸附空气中的水蒸气，起到遏制住 宅居室湿度上升和霉菌、微生物的繁衍[3].同时，在室 内空气过分干燥时，竹炭可将吸附的水蒸气释放到 空气中，起到调节湿度的作用.竹炭还可以用来吸附 空气中的气态污染物[6].室内装修材料过多使用有机 物或合成有机溶剂的涂料，会释放苯、甲醛、氨等对 人体有害的气体，短期吸入时可出现中枢神经系统 麻 醉 ，长 期 吸 入 则 能 导 致 再 生 障 碍 性 贫 血 . 竹 炭 对 苯、甲醛、氨、硫等对人体有害气体具有持续高效的 吸附净化作用，可以有效地去除此类气体.竹炭还可 以放入冰箱、橱柜、汽车内消除异味.
1.1 竹炭预处理 竹炭的吸附能力可以通过孔结构的重整和孔表
面的修饰等方法来改善,一般有高温炭化、碾碎、活 化等方法.张齐生等[6]研究发现竹炭的比表面积随炭 化温度升高而增大，在炭化温度到 700 ℃时达到最 大，然后随炭化温度升高，比表面积反而减小.比表 面积越大，竹炭对污水中杂质的吸附能力越强.但是 竹炭对不同物质的吸附能力与炭化温度的关系是不 同的. T. A. Sada[7]发现竹炭对苯、甲苯的吸附能力 随竹炭炭化温度的升高而增强，对氨气的吸附能力 则随着炭化温度的升高而下降，对甲醛的吸附能力 却没有明显的变化.
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宁夏工程技术
第 10 卷
升高竹炭的吸附效率增加，竹炭对 Ag+的吸附为还 原吸附.周培国等[27]发现载铁竹炭对含磷废水的吸附 在 pH=6~7 时效果最好.竹炭还可以有效去除造纸厂 排放污水中的色素，K. G. Bhattacharyya 等 发 [28] 现竹 炭对污水中色素的吸附能力在酸性条件下更好.
纳米级的竹炭微粉与其他原料共混纺丝可以制 备出纤维新品种，具有吸附除臭、抑菌防霉、吸湿排 汗等功能，竹炭纤维在服装、家纺等领域具有广泛的 应用前景[31].
1 竹炭对水中污染物的吸附性能及吸 附原理
常见的污水处理方法有物理法 （格栅法、筛网 法、过滤法、沉淀池法等）、化学法（中和法、氧化还原 法、吸附法等）和生物法（活性污泥法、生物滤池法、 厌氧处理法）.竹炭可用于水质净化，除去水中有机 杂质（如苯酚、苯胺等）、重金属（如银、铬、铅、镍等）、 各种臭味等，具有成本低、适用范围广等优点.
在不同改性竹炭的方法中，在竹炭上培养纳米管的
难度最大，所要求的实验条件也较高. 在一般条件
下，用 HNO3 氧化或 NaOH 溶液处理就可以明显改 进竹炭的吸附能力.
1.2 吸附动力学
溶液中的吸附是一个复杂的过程，主要包括外
扩散、内扩散和吸附反应 3 个过程.为了设计高效的
吸附系统，吸附动力学和传质过程的分析都非常重
第 10 卷 第 4 期 2011 年 12 月
宁夏工程技术 Ningxia Engineering Technology
文章编号：1671－7244（2011）04－0316－04
Vol．10 No．4 Dec． 2011
竹炭的吸附性能及应用研究进展
陈艺敏 1， 陈建福 1*， 黄慧珍 1， 张 玲 2
截距是 ln Kf. 而 Langmuir 方程的应用范围较广，它 是根据分子运动理论导出的单分子层吸附等温式.
Langmuir 认为固体表面均匀分布着大量具有剩余价 力的原子，此种剩余价力的作用范围大约在分子大 小的范围内，即每个这样的原子只能吸附一个吸附 质分子，因此吸附是单分子层的.
近年来，一些研究的实验结果表明，竹炭对水中 4-硝基苯酚、Cd2+、Ni2+、苯胺和 Ag+的吸附过程更符合 Langmuir 方程[14-16,19-21]，而竹炭对水中甲基橙和氯霉 素的吸附等温线则更符合 Freundlich 方程[22-23]. 1.4 吸附环境温度和 pH 值对去除率的影响
为一种清洁环保的材料，其应用将会越来越广泛.
关键词：竹炭；吸附性能；吸附动力学；吸附等温线；应用
中图分类号:X70;TQ351
文献标志码：A
与木材相比，竹子具有生长速度快、再生能力 强、易于大面积种植且力学性能高等特点[1].福建作 为一个竹类资源丰富的地区，为该地区开展竹类资 源的有效利用，开发竹炭系列产品，提供了十分有利 的条件.竹炭是 5 a 以上毛竹经过高温无氧干馏后的 固体产物，其机械强度较高，孔结构发达，导电性能 良好.竹炭发达的内部孔隙结构（孔径主要在 0.55~ 5.5 μm）和较大的比表面积（200~400 m2/g）能有效地 吸收空气中各种浮游物质，对硫化物、氢化物、甲醇、 苯、苯酚等有害化学物质能起到吸收、分解异味和消 臭的作用[2-3].竹炭有自动调湿的功能，若周围环境湿 度大时，可吸收水分；若周围环境干燥，则可释放水 分.竹炭还能产生最适合人体吸收的远红外线波，能 使物体产生微热，加快血液循环，改善人体内环境. 同时，从竹炭中产生的负离子具有穿透作用，能松弛 神经、消除疲劳.利用竹炭的这些性能，可以将竹炭 用在处理污水、净化空气、湿度调节、卫生保健、食品 和美容等方面[4-5].本文主要从环境保护方面探讨竹 炭对污水净化处理的原理及其运用.
分别用这两个公式对实验数据进行线性拟合，
然后可以根据所做直线的斜率和截距求出 K1、K2 和 qe 的值.根据不同的实验对象，所得的 3 个值均不相 同且线性拟合的结果也不一样. 研究结果表明，竹
炭对水中苯酚、4-硝基苯酚、Cd2+、Ni2+和 Zn2+[13-17]的吸
附过程与二级动力学方程拟合更好；而竹炭对水中
竹炭的吸附性能、杀菌性能及远红外性能可以 用来做医疗保健[3].掺有竹炭的美容霜、肥皂，具有特 殊的皮肤护理功效，能使皮肤增白清爽，且对皮肤病 有一定的预防和治疗作用. 把具有导电性的竹炭粉 和助剂混合后装入织物、枕头、垫子等物品中，具有 净化消臭、按摩、调节温度和湿度、抗菌等作用.
竹炭还可以保持鲜花和水果的新鲜度，起到保 鲜的作用.利用竹炭的保鲜功能，日本研究人员将竹 炭处理后制成具有很好保鲜作用的“菜鲜炭”[30].我 国研究人员也制造出了竹炭花篮、竹炭保鲜盒和保 鲜剂等一系列产品.
竹炭对水中污染物去除的效率还和环境温度和 水中 pH 值有关.近年来，不少研究同时研究了环境 温度和 pH 值对竹炭吸附能力的影响.朱仙弟等[14]根 据吸附热力学性质，计算吸附熵变为正值，说明吸附 是吸热的过程，温度升高，有利于吸附.竹炭对 4-硝 基苯酚的吸附量在溶液的 pH＝5.9~8.3 时较大且变 化较小.李中宝等[16]也得出竹炭对水中 Ni2+的吸附过 程为吸热过程，环境温度的升高有利于竹炭的吸附， 并且竹炭的吸附能力在 pH=7 时达到最大. 张启伟 等[19]研究改性竹炭对苯胺的吸附效率发现，吸附过 程中的焓变为负值，表明吸附为放热过程，环境温度 升高吸附率减小.实验同时也发现，酸度对吸附有相 对较大的影响，随着 pH 值的增大，吸附量增大，在 pH=5.9 时，达到最大值.何志平等[21]发现温度升高不 利于竹炭对硝酸盐的吸附，在 pH=2 时吸附效果最 佳.周云龙等[22]考察了环境温度和 pH 值对甲基橙吸 附能力的影响，发现溶液的 pH=2，温度为 60 ℃时， 吸附效果最佳.这是因为温度升高，溶液中的甲基橙 分子由于受热具有较大的动能，从而进入竹炭孔隙 中被吸附.Zhang 等[24]发现环境温度升高改性竹炭对 Cu2+的吸附能力增大,并且随 pH 值的增加竹炭的吸 附能力增强.对于活性竹炭对水中 NO3-吸附能力的 影响因子，M. Kei 等[25]发现环境温度的影响很小，而 K. Ohe 等[26]发现溶液 pH 值在 2~4 的范围内竹炭对 NO3-的吸附存在最大值.