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活性炭的结构

文章来源:http://www.shtaijiang.cn 发布时间:2021-01-14 浏览次数:16

活性炭的结构与性质

从晶体学角度看,活性炭属于非结晶性物质,它具有无定型结构,以石墨微晶为前提而产生的。石墨微晶中存在着六角形晶格、它以有序的二维形式排列,另一维则体现为不规则的相关连接。石墨微晶很小,其厚度约为 0.9~1.2nm(3~4 倍石墨层厚),宽度约为 2~2.3nm。

活性炭材料的多孔性结构是其具有多种用途的最主要原因。该活性炭的多孔结构由微孔(micropore)、中孔(mespore)、大孔(macpore)三种孔结构组成(图 2-1)。

1.微孔

Figure 2-1 Model of pore structure of activated carbon materials

活性炭中直径<2nm 的孔都被看成是微孔,它们的比表面积非常大,具备了非常强大的吸附功能,通常情况下它们的孔容积大概是 0.25~0.9ml/g,在单位体积内, 孔隙的数量整体上达到了 1020 个。以比表面积(BET)法计算,活性炭中所有微孔的比表面积大概是 500~1500m2/g,还有一部分达到了 3500~5000 m2/g。从活性炭来看,超过 95%的表面积均处在微孔中,所以微孔能够对活性炭自身的吸附性能产生决定性影响。

2.中孔

活性炭中直径 2~50nm 的孔为中孔,又叫中间孔。中孔的孔隙容积一般约为0.02~1.0ml/g,单位体积内表面积最高可达几百平方米,一般只有活性炭总表面积的约 5%。中孔能吸附蒸汽,并为吸附物提供进入微孔的通道,还能直接吸附较大分子,所以常被添加到触媒及化学药品中用于脱臭。

3.大孔

活性炭中直径>50nm 的孔为大孔。在适当的条件下,微生物及菌类在大孔中繁殖,可以使无机的碳材料发挥生物质的功能。通常情况下。大孔孔隙的容积为0.2~0.5ml/g,比表面积达到了 0.5~2 m2/g。从这些活性炭的大孔来看,它能够使得吸附质分子较为迅速地深入到活性炭的内部较小孔隙之中,在将活性炭当成催化剂

载体的过程中,只有少量的催化剂沉淀在微孔中,绝大部分的催化剂都在中孔以及大孔中沉淀。

对活性炭而言,它的吸附特性和自身的化学组成以及孔结构有着非常密切的联系。从活性炭材料制备过程来看,存在着灰分子和其他种类的杂原子,这些物质导致了活性炭在基本结构方面存在着一定的不足和缺陷,形成了不饱和价键,在活化过程中,氧原子以及其他杂原子能够很好地附着在此类缺陷上,从而形成各种官能团,使活性炭材料产生各种吸附特性。活性炭中最常见的官能团有羧基、酚羟基, 此外还有醚基、酯基等,对活性炭材料产生重要影响的官能团主要是含氧官能团和含氮官能团。从影响活性炭的因素来看,原料以及活化方成为了影响有机官能团的含量以及种类的两个主要因素。

与其他类型的绝大多数吸附剂不一样的是,活性炭的表面是非极性的或者是弱极性的,所以活性炭具备以下方面的优势:

(1) 从分离过程以及净化过程来看,活性炭作为吸附剂,成为了仅有的不必严格地事先除去水分的品种,所以在空气净化过程中,活性炭的应用表现出一定程度的有利方面。

(2) 与其它类型的吸附剂相比而言,活性炭通常具备了较高的比表面积,所以它能够很好地吸附数量巨大的弱极性或非极性有机分子。比如说,在室温以及一个大气压条件下,普通活性炭的吸附量大体上是分子筛吸附量的两倍。

(3) 通常情况下,活性炭上的吸附键强度要远远低于其它类型的吸附剂,所以,针对活性炭上的吸附分子的解吸来说,显得非常容易。此外,从吸附剂的再生能耗来看,通常情况下也不太高。

(4) 活性炭的耐热性以及耐酸碱比较好,有着非常高的化学稳定性。


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