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活性炭的理化特性

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活性炭的理化特性

發布日期:2019-06-26 作者: 點擊:

        根據活性炭的外形,通常分為粉狀和粒狀兩大類。粒狀活性炭又有圓柱形、球形、空心圓柱形和空心球形以及不規則形狀的破碎炭等。隨著現代工業和科學技術的發展,出現了許多活性炭新品種,如炭分子篩、微球炭、活性炭納米管、活性炭纖維等。 


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孔隙結構

       活性炭是由石墨微晶、單一平面網狀碳和無定形碳三部分組成,其中石墨微晶是構成活性炭的主體部分?;钚蕴康奈⒕ЫY構不同于石墨的微晶結構,其微晶結構的層間距在0.34~0.35nm之間,間隙大。即使溫度高達2000 ℃以上也難以轉化為石墨,這種微晶結構稱為非石墨微晶,絕大部分活性炭屬于非石墨結構。石墨型結構的微晶排列較有規則,可經處理后轉化為石墨。非石墨狀微晶結構使活性炭具有發達的孔隙結構,其孔隙結構可由孔徑分布表征?;钚蕴康目讖椒植挤秶軐?,從小于1nm到數千nm。有學者提出將活性炭的孔徑分為三類:孔徑小于2nm為微孔,孔徑在2~50nm為中孔,孔徑大于50nm為大孔。 

      活性炭中的微孔比表面積占活性炭比表面積的95%以上,在很大程度上決定了活性炭的吸附容量。中孔比表面積占活性炭比表面積的5%左右,是不能進入微孔的較大分子的吸附位,在較高的相對壓力下產生毛細管凝聚。大孔比表面積一般不超過0.5m2/g,僅僅是吸附質分子到達微孔和中孔的通道,對吸附過程影響不大。 

表面化學性質

      活性炭內部具有晶體結構和孔隙結構,活性炭表面也有一定的化學結構?;钚蕴课叫阅懿粌H取決于活性炭的物理(孔隙)結構,而且還取決于活性炭表面的化學結構。在活性炭制備過程中,炭化階段形成的芳香片的邊緣化學鍵斷裂形成具有未成對電子的邊緣碳原子。這些邊緣碳原子具有未飽和的化學鍵,能與諸如氧、氫、氮和硫等雜環原子反應形成不同的表面基團,這些表面基團的存在毫無疑問地影響到活性炭的吸附性能。X 射線研究表明,這些雜環原子與碳原子結合在芳香片的邊緣,產生含氧、含氫和含氮表面化合物。當這些邊緣成為主要的吸附表面時,這些表面化合物就改變了活性炭的表面特征和表面性質。       活性炭表面基團分為酸性、堿性和中性 3 種。酸性表面官能團有羰基、羧基、內酯基、羥基、醚、苯酚等,可促進活性炭對堿性物質的吸附;堿性表面官能團主要有吡喃酮(環酮)及其衍生物,可促進活性炭對酸性物質的吸附。  

     磷酸等酸性活化劑制備的活性炭表面以酸性基團為主 ,對堿性物質吸附較好;KOH、K2CO3等堿性活化劑制備的活性炭表面以堿性基團為主,適合于吸附酸性物質;而采用CO2、H2O等物理活化方法制備的活性炭表面官能團總體呈中性。 

吸附機理

      活性炭吸附是指利用活性炭的固體表面對水中的一種或多種物質的吸附作用,以達到凈化水質的目的?;钚蕴康奈侥芰εc活性炭的孔隙大小和結構有關。一般來說,顆粒越小,孔隙擴散速度越快,活性炭的吸附能力就越強。

  吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指標。吸附能力的大小是用吸附量來衡量的,吸附速度是指單位時間內單位重量的吸附劑所吸附的量。在水處理中,吸附速度決定了吸附劑與污水的接觸時間。 

活性炭發生的主要是物理吸附,大多數是單層分子吸附,其吸附量與被吸附物的濃度服從朗格繆爾單分子層吸附等溫方程 :


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  式中:

    
(覆蓋度)—— 一定溫度下,吸附分子在固體表面上所占面積占表面總面積的分數;
  
  
——吸附質在氣相的分壓;
  
  
——吸附與脫附的速度之比;
  
  
——氣體在固體表面上的吸附量。 


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關鍵詞:微球炭,石墨微晶,無定形碳

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