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活性炭为什么具有吸附性?

作者:柱状活性炭 日期:2018-07-09 9:22:31 人气:

活性炭为什么具有吸附性

活性炭具有吸附性的原因

活性炭在活化过程中,巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成,活性炭的孔隙的半径大小可分为:大孔半径>20000nm ;过渡孔半径150-20000nm;微孔半径<150nm;活性炭的表面积主要是由微孔提供的,活性炭的吸附可分为物理吸附和化学吸附,而吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的,活性炭的多孔结构提供了大量的表面积,从而使其非常容易达到吸收收集杂质的目的,就象磁力一样,所有的分子之间都具有相互引力。正因为如此,活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力,从而达到将介质中的杂质吸引到孔径中的目的,这就是物理吸附。

活性炭具有吸附性的原因有以下两点

1.活性炭分子之间相互作用力

活性炭分子之间相互作用力也叫“凡德瓦引力”。虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响,但它在微环境下始终是不停运动的。由于分子之间拥有相互吸引的作用力,当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后,由于分子之间相互吸引的原因,会导致更多的分子不断被吸引,直到添满活性炭内孔隙为止。

2.活性炭自身独特的孔隙结构

活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色,内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔,1克活性炭材料中微孔,将其展开后表面积可高达八百到一千五平方米,特殊用途的更高。也就是说,在一个米粒大小的活性炭颗粒中,微孔的内表面积可能相当于一个客厅面积的大小。正是这些高度发达,如人体毛细血管般的孔隙结构,使活性炭拥有了优良的吸附性能。

活性炭的孔隙结构

活性炭具有像石墨晶粒却无规则地排列的微晶。在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙,假定活性炭的孔隙是圆筒孔形状,按一定方法计算孔隙的半径大小可分为二类:

(1) 按IUPAC分:

微孔     <1.0nm

中孔     1-25nm

大孔     >25nm。

(2) 按习惯分:

微孔     <150nm

中孔     150-20 000nm

大孔     >20 000nm。

由于这些孔隙,特别是微孔提供了巨大的表面积。

微孔的孔隙容积一般只有0.25-0.9mL/g,孔隙数量约为1020个/g,全部微孔表面积约为500-1500m2/g,通常以BET法测算,也有称高达3500-5000m2/g的。活性炭几乎95%以上的表面积都在微孔中,因此除了有些大分子进不了外,微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容积一般约为0.02-1.0mL/g,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%。其作用能吸附蒸汽,并能为吸附物提供进入微孔的通道,又能直接吸附较大的分子。

大孔的孔隙容积一般约为0.2-0.5 mL/g,表面积只约0.5-2m2/g,其作用一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小的孔隙中去;二是作为催化载体时,催化剂常少量沉淀在微孔内,大都沉淀在大孔和中孔之中。

所提的活性炭表面积理应包括内表面积和外表面积,事实上吸附性质主要来自巨大的内表面积,因此不能误认为:把活性炭研碎磨细会明显提高表面积从而提高吸附力。

很多吸附是可逆的物理吸附,即被吸附物为流体,在一定温度和压力下被活性炭吸附,在高温低压下被吸附物又解吸出来,活性炭内表面恢复原状。这是广泛应用的物理吸附,学术上又称为范德华吸附。

气体在活性炭表面上的吸附主要有两种方式。第一种方式是吸附质被一种较弱的力吸附到活性炭固体表面上,或者是活性炭固体是一种多孔物质,在这些孔中,由于这些孔曲率半径较小,发生势力场的叠加,而发生微孔容积充填,这种力的性质与蒸气凝聚中起作用的力是相以的,这种力一般称为范德华(Van der Waals)力,在这种力作用下的吸附通称为物理吸附。第二种方式是电子在吸附质和吸附剂之间的交换或共有出现真正的化学反应,吸附质和吸附剂之间形成的键实质上就是化学键,这种吸附就称为化学吸附(或化学吸着)。为了使吸附得以进行,这时需要供应一定能量,这时的化学吸附被称为活性炭(粉状活性炭、果壳活性炭)活化吸附。

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