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活性炭的种类及其孔结构

导读:活性炭 是一种黑色多孔的含碳疏水性物质,主要是含碳物质(如石油焦、煤、椰壳、木材、沥青等)经过炭化、活化后形成的一类碳素材料,其孔隙结构发达,具有巨大的比表面积(一般可达500-3000m 2 /g),对气体、溶液中的无机有机物质及胶体颗粒具有优良的吸附性

活性炭是一种黑色多孔的含碳疏水性物质,主要是含碳物质(如石油焦、煤、椰壳、木材、沥青等)经过炭化、活化后形成的一类碳素材料,其孔隙结构发达,具有巨大的比表面积(一般可达500-3000m2/g),对气体、溶液中的无机有机物质及胶体颗粒具有优良的吸附性能。根据生产所用的材质,目前国内主要的活性炭品种有木质活性炭、煤质活性炭、果壳活性炭和活性炭纤维等。由于其具有独特孔隙结构和表面活性官能团,因而成为一种优良吸附剂。其化学性质稳定、机械强度高、耐酸碱、耐热、不溶于水及有机溶剂,失效后可再生,在污水处理、烟气脱硫、空气净化、化工分离、催化剂等方面有广泛的用途。

活性炭的结构决定其性能,其结构主要指孔结构。活性炭在制造工程中挥发性物质除去后,晶格间产生孔隙形成许多形状和尺寸不同的细孔即形成孔结构。活性炭吸附能力强、吸附容量大的原因与这些细孔比表面积比较大(高达500-1700m2/g)有一定的关系。

根据用途和应用领域不同,对活性炭的吸附能力也不一样。活性炭吸附能力主要与孔结构有关系。常见的孔形状分为圆筒孔、狭缝孔、Ⅴ形、圆锥孔、锥形狭缝孔、墨水瓶孔。

活性炭根据孔径分为微孔、中孔和大孔。Dubinin将孔分为孔径(d<2nm)为微孔,孔径(2<d<50nm)为中孔或过渡孔,孔径(d>50nm)为大孔,该标准被国际化学与应用学会(IUPAC)采纳, 一直沿用至今。图1.1为以颗粒活性炭孔结构示意图。

图1.1 颗粒活性炭内部孔隙结构

高比表面活性炭微孔表面积占总表面积的95%以上,是中孔的分支,在气相吸附中主要是微孔起作用,即微孔比表面积对吸附容量影响较大;中孔占5%以下,是吸附质进入微孔的必经之路,在液相吸附分子尺径较大分子时起作用;大孔不足1%,主要分布在活性炭的外表面,主要为吸附质提供扩散通道,也称扩散孔或输送孔。因此在制备活性炭时,应该充分发展微孔,适当减少大中孔数量。

有研究发现:直接通向外表面的微孔数目很少,在大多数情况,活性炭主要的孔隙结构按照以下以下方式排列:与外表面直接相连的是大孔,而且大孔主要分布在外表面,与大孔相连的是中孔,是大孔的分支,接下来与中孔直接相连的是微孔。

吸附容量不仅与微孔比表面积有关,与微孔容积也有一定的关系。值得注意的是,活化起始阶段随炭的烧蚀,微孔不断发展,微孔容积不断增加,当活化过度时,由于微孔和中孔被扩为大孔,导致总体容积增加,但微孔容积变小,内表面积也减小,吸附能力反而下降。

总之,判断一种活性炭吸附性能的优越既要看微孔所占的比例,又要看是否有一定数量的中孔和大孔。

活性炭吸附能力除与空隙结构有关还与其化学组成有密切联系。活性炭主要元素为碳元素约占总质量的90-95%,氧元素和氢元素以化学键的形式与碳形成官能团形式存在,官能团有羧基、酚羟基、醌型羧基、醚和酯基等。其中氧元素含量约为4-5%,氢含量为1-2%左右。

Boehm等人把活性炭表面官能团种类按酸碱性分成三类:酸性官能团有羧基(-COOH)羟基(-OH)和羰基基(-C=O);中性官能团为醌型羰基基;碱性官能团是亚甲基(-CH2)或-CHR基,这两种官能团能被氧化且能与强酸反应。活性炭这种表面化学性质与其制备活化方式有关,大多数情况下,采用水蒸气活化制得活性炭表面碱性化合物较多,ZnCl2法制得活性炭表面则恰好相反。其中对活性炭吸附性质产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团。图1.2所示为活性炭表面可能存在的几种含氧官能团,其中官能团(a)-(e)表现出不同的酸性。一般而言,活性炭的含氧量越高,其酸性也越强,含有酸性表面官能团的活性炭具有阳离子交换特性,而氧含量低的表面表现出碱性特征的活性炭则具有阴离子交换特征。

图1.2 活性炭表面含氧官能团结构

除了含氧官能团外,含氮官能团对活性炭吸附性能也产生显著影响,此类基团显碱性较多。活性炭表面的氮原子可以通过活性炭与含氮试剂反应和含氮原料制备两种方式引入,活性炭表面可能存在的含氮官能团如图1.3所示。

图1.3 活性炭表面含氮官能团

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