1　前言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以大量化肥代替原有農(nóng)家有機(jī)肥的使用，以人工飼料代替農(nóng)業(yè)廢棄物飼料的使用，加之現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化和規(guī)?；陌l(fā)展，打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中廢棄物的循環(huán)利用環(huán)節(jié)，結(jié)果造成了農(nóng)業(yè)廢棄物的大量積累，進(jìn)而產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的環(huán)境問題和資源浪費(fèi)問題。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物資源的合理利用已日益成為當(dāng)前世界大多數(shù)國家共同面臨的問題。國內(nèi)外實(shí)踐表明，農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用和無害化處理，是控制農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、改善農(nóng)村環(huán)境、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

活性炭是一種具有特殊微晶結(jié)構(gòu)、發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、巨大比表面積和較強(qiáng)吸附能力的含碳材料。其化學(xué)穩(wěn)定性好，具有耐酸、耐堿、耐高溫等特點(diǎn)。作為一種優(yōu)良的吸附劑，人們對活性炭的應(yīng)用開發(fā)研究越來越多。20世紀(jì)70年代前，活性炭在國內(nèi)的應(yīng)用主要集中于制糖、制藥和味精工業(yè)：后來又?jǐn)U展到水處理和環(huán)保等行業(yè)；20世紀(jì)90年代，除以上領(lǐng)域外，擴(kuò)大到溶劑回收、食品飲料提純、空氣凈化、脫硫、載體、醫(yī)藥、黃金提取、半導(dǎo)體等眾多應(yīng)用領(lǐng)域[1-5]。

2　農(nóng)業(yè)廢棄物利用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)廢棄物(agriculturalresidue)是指在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品、數(shù)量巨大、具有可再生、再生周期短、可生物降解、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是重要的生物質(zhì)資源。主要有樹皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等。據(jù)有關(guān)資料，我國產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物按目前的沼氣技術(shù)水平能轉(zhuǎn)化成沼氣3111.5億m3，戶均達(dá)1275.2m3，可解決農(nóng)村能源短缺。以農(nóng)作物秸稈為例，將目前的6.5億噸秸稈轉(zhuǎn)化為電能，按1kg秸稈產(chǎn)生電1千瓦時(shí)計(jì)算，就具有產(chǎn)生6.5億千瓦時(shí)電能的潛力；作為肥料可提供氮大約2264.4萬噸、磷459.1萬噸、鉀2715.7萬噸；作為飼料，僅玉米秸稈就能提供1.9～2.2億噸。然而，目前我國農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率卻很低乃至沒有利用。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物一方面成為最大的擱置資源之一，另一方面又成為巨大的污染源[6]。

從資源經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度上看，農(nóng)業(yè)廢棄物本身就是某種物質(zhì)和能量的載體，是一種特殊形態(tài)的農(nóng)業(yè)資源，蘊(yùn)含著豐富的能源和營養(yǎng)物質(zhì)。目前，隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益短缺，越來越多的國家特別是發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源的轉(zhuǎn)化利用列入社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，以農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源為原料制備工業(yè)新產(chǎn)品的研究引起了世界各國的關(guān)注。在我國，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，開發(fā)利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源，逐步補(bǔ)充或替代化石資源，是關(guān)系到我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題。

3　農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭及其改性

目前活性炭制備原料的使用也是由木屑和木片到煤和各種農(nóng)林產(chǎn)品的充分利用。產(chǎn)品由單一品種向多品種發(fā)展：由低檔活性炭向高檔活性炭轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭的過程一般經(jīng)過原料粉碎、壓棒、炭化、活化、漂洗、烘干和活性炭粉碎等幾個(gè)步驟。同時(shí)根據(jù)不同的需求可以在不同的步驟中進(jìn)行表面物理結(jié)構(gòu)的改性或表面化學(xué)性能的改性。

3.1表面物理結(jié)構(gòu)的改性

活性炭材料吸附表面物理結(jié)構(gòu)的改性是指在活性炭材料的制備過程中通過物理或者化學(xué)的方法來增加活性炭材料的比表面積、調(diào)節(jié)孔徑及其分布，使活性炭材料的吸附表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而增加活性炭材料的物理吸附性能。常用的活化劑有堿金屬、堿土金屬的氫氧化物、無機(jī)鹽類以及一些酸類，目前應(yīng)用較多、較成熟的化學(xué)活化劑有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等[7-10]。

3.2表面化學(xué)性能的改性

活性炭材料表面化學(xué)組成的不同對活性炭材料的酸堿性、潤濕性、吸附選擇性、催化特性等產(chǎn)生影響?；钚蕴坎牧系奈奖砻婊瘜W(xué)性能的改性是指通過一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能團(tuán)及其周邊氛圍的構(gòu)造，使其成為特定吸附過程中的活性點(diǎn)，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(jié)合能力?；钚蕴坎牧衔奖砻婊瘜W(xué)性質(zhì)的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性以及負(fù)載金屬改性等修飾。

3.2.1氧化改性

氧化改性主要是利用強(qiáng)氧化劑在適當(dāng)?shù)臏囟认聦钚蕴勘砻娴墓倌軋F(tuán)進(jìn)行氧化處理，從而提高表面的含氧酸性基團(tuán)（如羧基、酚羥基、酯基等）的含量，增強(qiáng)材料表面的極性和親水性。常用的氧化劑主要有HNO3、HClO3和H2O2等。Tsutsumi[11]認(rèn)為HNO3是最強(qiáng)的氧化劑，產(chǎn)生大量的酸性基團(tuán)，HClO3的氧化性比較溫和，可調(diào)整活性炭的表面酸性到適宜值。氧化后活性炭表面的幾何形狀變得更加均一。劉文宏等[12]使用濃HNO3分別在常溫和沸騰狀態(tài)下對活性炭進(jìn)行改性，研究結(jié)果表明：活性炭經(jīng)常溫濃HNO3改性后，比表面積和孔容都明顯提高，而經(jīng)沸騰濃HNO3改性后，比表面積和孔容卻明顯減小，但2種改性方式都使活性炭表面產(chǎn)生更多的含氧基團(tuán)。韓彬[13]等選擇磷酸氫二銨為活化劑在不同的活化溫度和預(yù)氧化條件下來制備活性炭。結(jié)果表明,在先浸泡后預(yù)氧化處理并在700℃下活化制得的樣品的比表面積為1078.21m2/g,其得率和碘吸附值分別為39.75%和636mg/g。

3.2.2還原改性

表面還原改性是指通過還原劑在適當(dāng)?shù)臏囟认聦钚蕴坎牧媳砻婀倌軋F(tuán)進(jìn)行還原改性，從而提高含氧堿性基團(tuán)的比含量，增強(qiáng)表面的非極性，這種活性炭材料對非極性物質(zhì)具有更強(qiáng)的吸附性能。常用的還原劑有H2、N2、NaOH、KOH等。Menendez等[14]認(rèn)為，活性炭的堿性主要是由于其無氧的Lewis堿，可以通過在還原性氣體H2或N2等惰性氣體下高溫處理得到堿性基團(tuán)含量較多的活性炭。Krisztinalaszlo等[15]研究了經(jīng)N2處理的活性炭對溶液中苯酚和2，3，4－三氯苯酚的吸附，結(jié)果表明，當(dāng)溶液pH為3時(shí)，吸附量最大，當(dāng)溶液pH為11時(shí)，吸附量下降?！aghserssht等[16]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)H2和N2還原堿性活性炭對水溶液中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。

3.2.3負(fù)載金屬和金屬氧化物改性

負(fù)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(zhì)或低價(jià)態(tài)的離子，并通過金屬離子或金屬對被吸附物的較強(qiáng)結(jié)合力，增加活性炭對被吸附物的吸附性能。中南林業(yè)科技大學(xué)研究了利用農(nóng)業(yè)廢棄物棉秸稈為原料[17]，采用氯化鋅活化法制取活性炭的工藝，以及制備過程中各種因素對活性炭吸附性能的影響，得出了適宜的工藝條件：氯化鋅溶液濃度為40°Be′，固液比為1:2，400℃炭化180min，650℃活化60min。Garg等[18]采用濃硫酸在150℃下處理印度紅木鋸末24h，去除殘余酸后制得活性炭吸附劑，與甲醛處理的鋸末相比，這種吸附劑有更好的Cr(VI)去除能力。

4　農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭的應(yīng)用

活性炭的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史。活性炭最初用于糖的脫色，后逐步擴(kuò)大到生產(chǎn)和生活的各個(gè)行業(yè)，并不斷地根據(jù)市場的需求開發(fā)出新的產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)廢棄物制備的活性炭目前已應(yīng)用于污水處理、水質(zhì)凈化、治理煙氣等方面

4.1污水處理

活性炭在廢水處理方面的主要優(yōu)點(diǎn)是處理程度高、出水水質(zhì)穩(wěn)定，與其它方法配合使用可獲得質(zhì)量很高的出水水質(zhì)，鄭旭煦等[19]研究活性炭負(fù)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(jié)果表明：用溶膠-凝膠法制備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、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。Jun等[20]報(bào)道了用載有鉑的各種活性炭在氧化還原過程中，可以達(dá)到增強(qiáng)有機(jī)酸吸附作用的效果。無機(jī)工業(yè)廢水處理[21-22]某些活性炭對于廢水中無機(jī)重金屬離子具有一定的選擇吸附能力。用于處理飲用水及微污染水凈化，臭氧-生物活性炭工藝[23]以其可以高效去除水中溶解性有機(jī)物和致癌突變物、出水安全、優(yōu)質(zhì)而備受矚目和重視。

4.2水質(zhì)凈化

活性炭在凈化給水方面不僅對色、嗅去除效果良好，而且對合成洗滌劑ABS、三鹵甲烷、鹵代烴、游離氯也有較高的吸附能力，也能有效地去除幾乎無法分解的氨基甲酸酯類殺蟲劑等?；钚蕴磕苡行У厝コ械挠坞x氯和某些重金屬（如Hg、Sb、Sn）且不易產(chǎn)生二次污染，常用于家庭用水及飲用水的凈化處理工藝中[24]。

4.3廢氣處理

目前，我國的煤炭燃燒過程中排放出的SO2和NOx是主要的大氣污染物，而改性后活性炭材料的脫硫、脫硝處理效果好，投資運(yùn)行費(fèi)用低，且易于再生利用。改性活性炭材料脫硫、脫硝首先是利用活性炭材料的吸附性能將煙氣中的污染氣體SO2和NOx物理吸附于活性炭材料表面，在活性炭材料表面官能團(tuán)或擔(dān)載金屬的催化作用下，SO2和NOx轉(zhuǎn)化為SO3和無污染的N2或O2。在有水蒸氣存在的情況下，SO3將會(huì)與水結(jié)合生成硫酸回收。Wey等[25]研究了炭載金屬銅和鈰脫硫劑的脫硫性能，邱琳等[26]研究了用碳酸鈉溶液改性的活性炭比普通純活性炭脫硫劑的硫容提高近30%。Wang等[27]通過加載金屬改性活性炭纖維研究其對二氧化硫去除性能的影響。

5　結(jié)語

活性炭具有吸、脫附速度快，可再生等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保領(lǐng)域日益顯示出其主導(dǎo)地位，越來越受到人們的重視。但其制備和應(yīng)用領(lǐng)域還有許多要改進(jìn)和深入研究的問題。同時(shí)，隨著人們對農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重視，如何將農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭工藝進(jìn)行工業(yè)化、規(guī)?；陌l(fā)展將顯得尤為重要。例如，如何降低活性炭生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，及針對不同的用途進(jìn)行活性炭的表面改性，創(chuàng)造性地開發(fā)活性炭的新用途等。另外，如何設(shè)計(jì)制備出不同種類和不同用途的特效負(fù)載活性炭，將是未來活性炭研究的熱點(diǎn)，也是拓寬活性炭應(yīng)用范圍的一個(gè)重要途徑。加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)廢棄物制備的活性炭及其吸附機(jī)理的系統(tǒng)研究，使之成為一種選擇性好，吸附能力強(qiáng)，應(yīng)用廣泛的新型吸附材料。

參考文獻(xiàn)：略

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