摘要：研究了改性椰殼活性炭對甲苯的吸附效率，證明鹽酸改性可以有效提高椰殼活性炭對于甲苯的吸附效率，浸漬溶液的酸性越強則效率越高。硫酸、硝酸和檸檬酸改性的椰殼活性炭的吸附效率也有所增加。經過掃描電子顯微鏡的分析，椰殼活性炭具有發達的孔結構，部分位置具有均勻的孔結構，孔徑約為5-10μm。
椰殼為棕櫚科植物椰子的肉果皮，含木質素36.51%、纖維素53.06%、戊聚糖29.27%，質地堅硬。將椰殼炭化后再活化，可得到椰殼活性炭，是一種具有高附加值的椰殼利用途徑。椰殼活性炭是一種應用非常廣泛的多孔吸附材料，外觀為黑色，呈破碎狀，具有孔隙發達、吸附性能好、強度高、易再生、經濟耐用等優點，主要應用于飲用水、純凈水、制酒、飲料、工業污水的凈化、脫色、脫氯、除臭。
將多孔材料利用化學物質進行表面和孔結構的改性，是提高吸附劑性能的重要方法之一。將活性炭材料用酸性物質改性，可以改變表面官能團的種類和數量，從而改變活性炭的表面結構和吸附性能，是提高活性炭材料利用效率的有效途徑，也是活性炭行業的研究方向。
近年來室內空氣污染越來越嚴重，其中甲苯是一種危害較大、存在較為普遍的室內空氣污染物。采用活性炭作為吸附劑對甲苯進行處理是常見的室內空氣凈化手段，目前在飛利浦、松下、夏普和亞都等空氣凈化器廠家中得到了應用。利用化學物質對椰殼活性炭進行改性，既保留了椰殼活性炭良好的強度和發達的孔結構，又通過化學物質對活性炭的表面官能團進行了調節，可以提高活性炭對于甲苯的吸附效率。
本實驗研究了椰殼活性炭被不同化學物質改性后對甲苯的吸附性能，結果證明鹽酸可以提高椰殼活性炭對于甲苯的吸附效率，并研究了酸的類型和強度對于活性炭吸附效率的影響，具有一定的科學意義和應用前景。
1、材料與方法
椰殼活性炭來自于鞏義市波濤凈水材料有限公司，未經過進一步處理。活性炭的改性采用浸漬法，將一定比例的化學物質配成溶液，加熱至70℃，然后將多孔材料浸漬于其中，1h后過濾分離，固體于120℃烘干后備用。
掃描電子顯微鏡型號為Hitachi S-4800。椰殼活性炭及其他多孔材料的測試過程如下：將活性炭或其他多孔材料裝載在過濾器中，然后將過濾器安裝在空氣凈化機上，將空氣凈化機置于3m3的玻璃密封艙內，將凈化機連接在電源上；然后在玻璃艙內發生定量的污染物，開啟艙內的均風裝置，待密封艙內的污染物濃度均勻后，開啟空氣凈化機，用甲醛和甲苯氣體分析儀每隔1min記錄污染物的濃度。
2、結果與分析
2.1 椰殼活性炭的吸附效率
發達的孔結構是吸附劑具有較高效率的決定性結構因素，常見作為吸附劑的多孔材料有活性炭、活性氧化鋁、沸石、分子篩、麥飯石等。椰殼活性炭是常見吸附劑，對很多氣體都有非常好的吸附效果。由圖1可知，幾種多孔材料中，椰殼活性炭對甲苯的吸附性能較好，分子篩對甲苯的吸附效果也較高，而麥飯石對甲苯的吸附效果很差，10min內甲苯濃度基本不變化。多孔材料對于甲苯的吸附主要取決于其孔結構的多少，比表面積較高的椰殼炭材料的吸附性能較好。
2.2 椰殼炭改性后的吸附效率
通過化學物質浸漬，可以改變多孔材料的孔結構和表面結構。對于椰殼活性炭，一些具有一定腐蝕性的化學物質如：鹽酸、氫氧化鈉、雙氧水等可以腐蝕其孔結構，進而產生更多的孔，有效提高其吸附性能；另外，這些化學物質可以改變椰殼活性炭表面官能團的類型和數量，進而影響椰殼活性炭對于甲苯的吸附性能。但是，化學物質通過浸漬后會留在椰殼活性炭的孔結構或者表面，則有可能堵塞活性炭本來的孔結構，反而造成吸附能力的下降。
由圖2可知，氫氧化鈉改性后椰殼活性炭的吸附性能下降，可能是由于氫氧化鈉在烘干后留在活性炭材料的孔和表面，堵塞了一部分孔結構。雙氧水和鹽酸改性后的椰殼活性炭的吸附性能都有一定程度提高，其中鹽酸改性的椰殼活性炭吸附效果更好，說明酸性物質可以改變椰殼活性炭表面官能團的種類和數量，進而改變活性炭的吸附性能。
從圖3可以看出，檸檬酸處理的活性炭的吸附性能較差，可能是由于檸檬酸的酸性較弱，不能有效改變活性炭的孔結構和表面官能團。幾種強酸中，鹽酸改性的活性炭對于甲苯的吸附效果較好，硫酸和硝酸較為接近，具體原因可能是硫酸和硝酸的腐蝕性和氧化性較強，而活性炭具有較強的還原性，二者在浸漬的過程中發生了反應，酸性物質反應后難以有效改變活性炭表面的官能團種類和數量，效果比鹽酸差。
從圖4可以看出，活性炭對于甲苯的吸附效率隨著鹽酸濃度的增加而上升。未改性椰殼活性炭對于甲苯的去除效率為68%，而15%鹽酸處理的椰殼活性炭的吸附效率為87%，證明鹽酸的改性有效提高了椰殼活性炭的吸附效率。
2.3 椰殼活性炭的表面形貌
從圖5-a可以看出，椰殼活性炭的表面存在很多孔結構，較大的孔直徑和形狀并不規整。在部分椰子殼有缺陷的部位，在缺陷的斷面處可以看見較多的小孔，孔結構比表面更多，說明在活化過程中，缺陷位置更容易活化，在缺陷的孔道和活性炭顆粒的交界地帶，孔結構尤其發達，可以清楚地觀測到一些活化過程中過度腐蝕形成的骨架結構（圖5-b）。活性炭結構的孔分布較寬，微孔、中孔和大孔都較為發達，一般大孔的孔壁都有小孔存在，即“大孔套小孔的結構”，由圖5-c、d可以清晰地觀察到大孔的孔壁上有更小的孔存在，而且大孔和小孔的孔徑分布都比較窄。圖5-e可以看到活性炭材料的部分位置存在發達的孔結構，孔徑也很均勻，從孔壁上可以看出活性炭骨架結構基本排布成網狀，橫向和縱向的孔都比較多，直徑約為5-10μm。
3、結論
對比活性氧化鋁、分子篩和麥飯石等多孔材料，椰殼活性炭對于甲苯具有更好的吸附效果，在3m3測試艙內10min的凈化效率大于95%。椰殼活性炭經過鹽酸改性后對甲苯的吸附性能提高較大，而經過氫氧化鈉改性后吸附能力則有所下降。在酸性物質中，鹽酸改性后椰殼活性炭對于甲苯的吸附效率提高較多，而硫酸、硝酸和檸檬酸的改性效率較鹽酸差。椰殼活性炭具有發達的孔結構，孔壁上有較多更小的孔存在，部分位置有大小非常均勻的孔，直徑約為5-10μm。