1、活性炭
1.1 活性炭概述
活要经过系列工艺精加工而成，所以价格高，但可以回收二次使用;活性炭纤维在纤维中填充微孔，其吸附能性炭是由有机原料通过厌氧焦化和活性碰撞形成的不规则炭。活性炭的吸附和解毒功能得益于它表面分布的许多细小孔隙和大的表面积。通常，根据外观形态，可以分为粉末活性炭(PAC)、粒状活性炭(GAC)、活性炭纤维(ACF)这3种。由于比表面积大，粉末活性炭有高吸附能力，同时制备原料来源广，产品价格低，但回收利用非常困难;与粉末状活性炭相比，粒状活性炭力和吸附速率是颗粒活性炭的数十至数百倍，活性炭纤维可用于各种有机废水的处理，去除水中的氯、苯、酚等有机物，还可以处理染料废水使其脱色。除此之外，活性炭纤维还可以除去废水中的金属离子，如银、汞等，但是，其使用仅仅是20多年，工业上的应用尚未成熟。
活性炭具有较强的吸附能力、杰出的化学不变性、高力学强度、可再生等特性，普遍应用于化工、环境治理、卫生、饮食等邻域。在当今水污染严重的情况下，活性炭可以有效去除水中大部分有机污染物，重金属，气味和颜色，具有重要的科学意义，在污水净化领域具有广泛的应用可能性。
1.2 活性炭水处理原理
活性炭通过表面对水中杂质的吸附来达到改善水质的目的。根据吸附物质与被吸附物质之间作用力的不同可分为物理和化学吸附[3]。活性炭吸附能力的大小主要取决于孔径的大小。孔径的大小一般分为大中小三型，活性炭材料中多为小孔(孔隙直径50nm为大孔)。首先，活性炭的物理吸附主要是由其自身庞大的微孔结构发挥作用的，吸附的是能通过这些孔隙结构的杂质。其次，活性炭的化学吸附是与被吸附物质发生化学反应形成吸附共价键。化学吸附主要受吸附物质表面杂原子、化合物、化学官能团的数目和类型3个方面的影响。同时，这些含氧、含氮官能团本身也具备非常强的吸附性。在这两种吸附作用的共同参与下，活性炭可以充分吸附废水、污水当中的杂质、污染物，实现较好的水处理效果。
1.3 活性炭在污水净化中的应用
活性炭对水处理的要求很高，活性炭的价格也很高。因此，在废水处理厂，活性炭通过去除废水中的微量污染物达到深度净化的目的。
1.3.1 活性炭处理含铬废水
铬是电镀中被广泛用作电镀层的金属原料。在废水中，根据pH值的变化，C(rⅥ)会以不同的形式存在。活性炭具有高度开发的多孔结构，比表面积大，物理吸附能力强，可有效吸收Cr。此外，活性炭的表层还有许多静电离子基团，例如羟基(-OH)、羧基(-COOH)等，它们也会对Cr产生化学吸附效应。因此，活性炭物理吸附、化学吸附、化学还原一起作用才可使废水中铬的去除效果达到佳。马万征等采用静态试验的方法，考察了活性炭加量、酸碱度、温度等因素对废水中Cr去除率的影响。研究表明，当处理剂中吸附质0.6g•L-1、pH为4、温度为20℃时，铬的去除率为97%。用活性炭处理废水中的铬，吸附性好，处理成本低效率高，有很好的社会效益。
1.3.2 活性炭处理含氰废水
在工业生产中，废水中的氰化物分为两类，一类为无机氰(氢氰酸及其盐类)，一类为有机氰或腈(丙烯腈等)。煤焦化、纤维生产、金属电镀和着色、矿石浮选、燃料、药品及塑料加工等生产过程都会产生含氰废水。长期以来，含氰废水多用活性炭来去除。汪玲[9]等利用硫酸铜浸滞活性炭使其负载Cu2+，并考察了该活性炭对含氰废水的处理效果。结果表明，载铜活性炭加量为12g•L-1、废水pH值为8、吸附时间为7h时，可去除废水中90%以上的氰。任大军通过静态吸附研究了活性炭纤维对含氰废水的吸附效果。结果表明，活性炭纤维由于其具有憎水性，故对氰的吸附量不大，吸附时间较长达6h;但用10%的NaOH处理吸附饱和后的活性炭纤维可使其再生，可重复使用。随着研究的深入，尽管活性炭对含氰废水的处理效果越来越好，但废水中仍有少量残余的氰根和***，处理不彻底且成本也相对较高。
1.3.3 活性炭处理含酚废水
在工业生产中，石油化工厂、树脂厂、焦化厂及炼油化工厂皆会产生含酚废水。实验研究表明，温度和酸碱度是影响活性炭对苯酚吸附效果的主要因素。活性炭对苯酚的吸附平衡时间会随着温度的升高而缩短，但温度太高会使吸附量受损;pH值对废水中酚的吸附效果有着明显的影响，当pH值小于或等于7时，废水中酚的含量变化不大;当pH值大于7后，酚的含量明显下降，碱性过强，吸附效果也会变差。原材料种类和活化方法基本决定了活性炭的比表面积和对苯酚的吸附性能。MA等研究了活性炭原材料的种类对废水中苯酚吸附效果的影响。结果表明，竹质活性炭对苯酚的吸附效果好于椰壳活性炭好于煤基活性炭。
1.3.4 活性炭处理含油废水
据资料统计，2017年，世界水资源受到了500~1000t石油污染，水产资源遭到严重迫害，人类健康受到极大危害。因此，很有必要处理含油废水，保护水资源。作为一种非极性吸附剂，活性炭是常用于净化含油废水的材料。与其它吸附剂相比，活性炭具有极大的比表面积和丰富的微孔结构，因而有好的吸油性，可去除废水中的分散油、乳化油、溶解油及其它有机物。李裕华利用粉末活性炭对含油污水进行萃取和吸附处理，结果表明活性炭对烃类污染物的萃取率平均可达96.0%，在酸性条件下，活性炭对芳烃具有良好的吸附效果。陈晓玲通过实验验证了活性炭处理含油废水的佳条件。实验结果表明，废水中油的去除效果与活性炭的粒径、添加量及酸碱度有密切的关系。活性炭对油的吸附量随着加量的增加而增多;当活性炭加量一定时，粒径越小，其对于油类及COD的去除率越高;此外，加量与粒径相同时，中性条件下油的去除率低，酸性条件的去除率高于碱性条件去除率。该方法的优点是操作简单，处理效果好，同时，可以达到回收有机物，获得一定经济效益的目的;缺点是活性炭一般用作含油废水的微量或低浓度处理，原因是其价格昂贵，再生困难，使用量受到限制。随着研究者不断的研发，新型吸附材料如焦炭、膨胀石墨等也可用于去除废水中的油，并取得了较好的吸附效果，可作为活性炭的替代品。
2、改性活性炭
2.1 改性活性炭改性机理及研究现状
在活性炭应用领域逐渐扩大以及多功能吸附的形势背景下，活性炭吸附材料的需求量及性能的要求也越来越高。目前，常规活性炭已不能满足某些特殊环境的应用需求。因此，急需改善活性炭的性能以满足各种环境的应用。众所周知，材料与外界发生作用主要依靠其表面物理化学性质而起作用(包括电荷、化学成分、亲疏水性、形态等)。因此，要想提高活性炭的吸附性能，改变活性炭材料表面物理化学性质是关键，这将对该行业产生重要的学术意义和巨大的应用前景。
为改善活性炭内在的微孔结构和表面化学性质，可以从物理、化学和物理化学联合3个方面入手。由于聚合物结构、性能的优越性以及改性方法的多样性，用聚合物在活性炭表面进行改性已成为改性活性炭研究的一大热点。目前，国内众多学者已对活性炭改性展开了研究。例如，将3-苯氧基苯甲酸原位聚合在活性炭纤维表面，可以显著提高纳米复合材料的氧化热稳定性，有利于提高其在污水净化中的耐温性。王改娟等将丙烯酰胺聚合在活性炭孔内，制备了一种多孔聚丙烯酰胺-活性炭纳米复合材料，大大增加了材料对酚类物质的吸附量。张际亮等，分别将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)原位聚合在活性炭孔内，制备多孔聚合物-活性炭功能复合吸附材料，该复合材料可选择性吸附水中的重金属离子，并保留水中对人体有利的金属离子和矿物质。
2.2 改性活性炭在污水净化中的应用
2.2.1 去除水中有机物
去除水中有机污染物是活性炭在污水净化领域的重要应用之一。研究表明，在活性炭氧化还原过程中对其表面进行改性处理，使其表面载有铂，可增强活性炭对有机酸的吸附;通过浸滞的方法使活性炭的活化能改变，大大增强了活性炭对水中苯酚的吸附效果;根据硫元素的不同物化性质从而采用不同的方式对活性炭进行改性，可选择性吸附不同价态的有机硫化物。由此可见，利用不同的改性措施处理活性炭可确保活性炭对水中不同有机物的吸附去除。
2.2.2 去除水中重金属及离子
改性后的活性炭不仅增强了对水中有机物的去除，还可以增强其对重金属等无机污染物的吸附能力。通常地，对粉末状活性炭进行二次表面处理，在其表面赋予能与重金属及重金属离子发生反应的官能团，如羧基、羟基、氨基，实现去除水中重金属的目的。
2.2.3 去除水中其他杂质
当活性炭氧化过程中的煅烧温度大于800℃时，对阴离子的交换容量也会相应地增强，实现对水中阴离子的去除。研究表明，通过氧化剂对活性炭中的还原官能团进行改性使其具有氧化性，可吸附水中的亚硝酸根离子;另外，经NaOH等化学药剂改性后的活性炭可起到常规活性炭不能去除水中杀虫剂的功效。