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什么是活性炭 活性炭的概念 活性炭的种类 活性炭的吸附原理
2021-8-20
来源:未知
点击数:  749        作者:未知
  • 什么是活性炭 活性炭的概念 活性炭的种类 活性炭的吸附原理


    活性炭是含碳物质经过炭化和活化制成的多孔性产物。它具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积,可用作吸附剂、催化剂和催化剂载体。目前认为活性炭是由类石墨微晶构成的,为螺层形结构(Turbostratic Structure),但也有人认为活性炭是芳香三元结构(Aromatic Three-Dimensional Structure),又称瑞利结构(Riley Structure),或是中间体结构(Mesostructure), 当然也有人认为活性炭是由四面体碳结构(Tetrahedral Carbon Structure)]的碳微晶构成的。

    根据X光衍射的大量试验,活性炭的X光衍射图和石墨衍射图类似,但它和石墨的结构不一样,为螺层形结构。活性炭就是由这些类石墨微晶无序构成的多孔体。根据对各种炭材料测试表明,它们的孔大体上分为三类,即大孔、中孔和微孔。这些孔就是活性炭具有吸附能力的本源。如果对活性炭进行加温,当温度升至1300℃时,活性炭就开始石墨化了,无序的微晶随着温度的升高逐渐趋向整齐,当温度升到2700℃时,活性炭就完全石墨化。它的导电性能也由半导体变成良导体。由此可见活性炭就是由类石墨微晶所构成。

    活性炭表面含有多种化合物,当它吸附氧时就形成各种基团,在活性炭微晶边缘棱角处的原子或外露晶格缺陷、移位和断层处,是形成氧基团的主要部分。而这些氧基团又分为酸性和碱性两类。酸性基团主要有七种结构型式:①羧基;②酚羟基;③醌型羰基;④正内酯基(n一内酯基);⑤荧光型内酯基(f-内酯基);⑥羧酸酐基;⑦环形氧基。前三种化合物是主要的,而两种内酯基都是从羧基衍生而来的。碱性基团主要有三种,它们均是色烯结构化合物。试验表明,碱性基团形成的量较少,被覆盖的表面积比起酸性基团少得多。活性炭表面除氧基团外,还有硫基团和氮基团,硫基团是硫原子和活性炭表面作用或用表面氧基团置换形成的。根据近年来的电子能谱和傅里叶变换红外光谱对经过硫处理的活性炭进行研究,证实硫化物的种类很多,而且这些化合物在酸碱溶液中的性能非常稳定。氮基团是氮原子同活性炭表面碳原子或表面氧基团作用后形成的基团。如果在一定温度下,用氨及各种有机氨、氮杂茂等处理活性炭,均可使氮原子牢固地结合在表面上。很多试验表明,凡含有氮基团的表面,在催化氧化中,特别是在二氧化硫氧化成三氧化硫的反应中起重要作用。活性炭表面不仅能形成上述几种基团,还能和氟、氯、溴和碘等元素反应,生成新的表面基团,这些基团对活性炭的吸附、催化和作为催化剂载体都有着重要的影响,是值得我们进行深入的研究和探讨的。如羧基对于氯乙烯的合成,醌型羧基对于醋酸乙烯合成均起十分有益的作用。

    活性炭具有发达的孔隙结构,主要包含有三种孔隙,即大孔、中孔和微孔。大孔分布在活性炭颗类的外表面,中孔是大孔的分支,微孔又是中孔的分支。在气相吸附中微孔起主要吸附作用,有时又被称为吸附孔,中孔和大孔为被吸附物质进入微孔提供通道,因此,又被称为输送孔。微孔还可再分为细微孔和次微孔(极微孔和超微孔)。细微孔是活性炭中最小的孔,它的特征尺寸为r<0.6~0.7nm,次微孔的特征尺寸为0.6~0.7nm<r<1.5~1.6nm(国际理论与应用化学联合会规定次微孔的上限为r=2.0mm)吸附主要在细微孔和次微孔内进行。对于一般活性炭,二者的孔容为0.2~0.6cm3/g,对应的比表面积占总表面积95%以上,大于微孔的孔隙是中孔,其特征尺寸为1.5~1.6nm<r<100~200nm,中孔容积为0.1~0.2cm3/g,对应的比表面积一般不超过总表面的5%。有时通过调整活化工艺条件或其他办法也可增加中孔容积,达0.7cm/g,比表面积可达到200~400m2/g。中孔在气相吸附中一般起吸附质进入微孔的通道作用,但随着相对压力增高到一定高度时产生毛细凝聚,这时在吸附等温线上出现滞后圈。在液相吸附中,中孔对大分子的吸附起着重要的作用。大孔的尺寸是r>100~200nm,大孔容积为0.2~0.5cm3/g,对应的比表面积为0.5~2.0m2/g。大孔表面积占总孔表面积的比例很小,在吸附过程中不起明显的作用,通常可以忽略不计。活性炭作为载体使用时,催化剂主要沉积在中孔和大孔中。

    描述活性炭吸附的理论模型很多,有单分子层吸附理论、多分子层吸附理论(BET)、Frundlich 吸附理论、毛细凝聚理论、吸附势理论、微孔容积充填理论和Jaroniec 吸附理论等。这些理论中,唯有微孔容积充填理论是最适合用来表征活性炭的吸附过程,它能够和试验数据很好地吻合,而其他理论和实验吻合较差的原因是:①那些模型的理论假设太过于理想化了;②活性炭表面的能量分布是非均匀的;③活性炭非但表面不均匀,而表面还有各种大小的孔,这各种大小的孔也是不均匀的,每种孔都在一个范围内分布,并不是均一大小,这些孔大小不一样,因而它的力场叠加效应就不一样;④活性炭表面不是单纯一种物质,而是包含有各种不同物质的基团,它们在吸附过程中,各起不同的作用,有的是正效应,有的负效应。因此,活性炭表面是不均匀的,能量分布也是不均匀的,各种基团的生成也是不均衡的。因而想用一些理想模型来表征活性炭,那是不会得出什么好的结果的。

    用于生产活性炭的原材料是十分丰富的,大体上有如下几类:①植物类原料,如木材、锯末、果核、果壳和一些草本植物类等;②矿物类原料,如各种煤和石油残渣等;③各种工业度弃物,如动物的骨和血,废塑料、废橡胶、废轮胎等;④各种有机合成纤维,如聚丙烯腈纤维、人道丝、酚醛树脂纤维、沥青纤维等;⑤各种有机合成材料,如聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氣乙婚、缩甲基纤维素聚甲醛等;⑥各种油类,如绿油、碳黑油、重油、煤焦油、木焦油、焦糖等。

    活性淡的制备工艺有如下几类;①气体活化法(物理活化法);②化学药品活化法(化学活化法);③物理—化学活化法,还可以细分为水蒸气活化法、二氧化碳活化法、水蒸气—二氧化碳混合活化法、氯化锌活化法、磷酸活化法、氢氧化钾和硫化钾活化法等。

    活性炭从外观形状上看,有粉状活性炭、粒状活性炭、纤维活性炭。粒状活性炭包括无定形粒状炭、柱状活性炭、球形活性炭、空心球状活性炭及微球炭等。每种炭中又有几个或十几种不同用途的炭,如粉状炭中有化学炭、糖用炭、药用炭、针剂炭及净水用炭等;粒状炭中有净空炭、净水炭、脱硫炭、脱氯炭、脱色炭、载体炭、溶剂回收炭、味精炭、黄金冶炼炭、维尼纶载体炭及防毒面具用炭等。如果要评价活性炭的性能及吸附特性,要根据活性炭的用途和要求的不同,采用合适的指标。活性炭的主要指标有粒度、比表面积、孔隙溶剂、孔分布、真密度、颗粒密度、堆积密度、强度、水分、灰分等;表征吸附性能的指标有苯吸附率、四氯化碳活性、碘值、酚值、糖蜜值、焦糖值、醋酸吸附值、醋酸锌值和亚甲蓝值等;当然还有一些特殊用途的指标。

    活性炭是一个优良的吸附剂,它的吸附过程是非常值得我们研究的。吸附进行分为两种情况,一种是静态吸附,一种是动态吸附。为了更深入地了解吸附现象和更好地应用吸附原理,我们不但要研究吸附的热力学,还必须要深人研究吸附的动力学。当两相接触时,二者界面上出现一个其内部组成不同于原来任何一相的区域。同原相内的物质浓度相比,界面上物质浓度增稠,即是吸附。固体的表面吸附气相或液相中的物质,这时固体称为吸附剂,气体或液体称为吸附质。被吸附分子离开固体表面返回气相或液相,称解吸(或脱附)。固体表面吸附,既可在吸附质与吸附剂处于静止状态下发生,也可在吸附质和吸附剂相互移动的条件下,即动态条件发生。在静态平衡下,吸附质在气相(液相)吸附相之间的分布在整个吸附剂层内是一样的,而且仅由给定温度下的吸附等温线,即由具体物质的可吸附性决定的。动态吸附就不是这样的,因为在这种情况下吸附质在两相之间的分布不仅决定于吸附等温线,而且还决定于其他一些因素,如吸附动力学。它包括吸附质向吸附剂表面扩散速度、迁移速度和吸附剂表面对分子的捕捉速度,放出的热量及其放热速度、吸附剂层上的不同位置上流体相的吸附质的浓度、混合物通过吸附剂层的速度分布等等。

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