活性炭吸附作用力是指吸附剂与吸附质来间在棉量方面的相互作用,承相这种相互作用的是电子,在发生吸附时,随翁巢附刑表面和吸附质分子中性质的不同,其相互作用的组合状况也不同。相互作用分为5案,作敦分散力相互作用,偶极子榻互作用、氢键,修电吸引力有其价健。
指致分散力伦敦(1ondonF)发现的力,是5种相互作用力中弱的,伯救方普遍存在于原子和分子网,包括惰性似子、分子网也都存在,在活性炭吸附中也是非常重要的吸附作用力,由于其与在可见光和紫外光领域中的光分散有关,所以称之为分散力。
除了伦敦分散力之外,偶极子相互作用也是一个相当微弱的相互作用力。表面上电负性不同的原子化学结合在一起时,由于电角性的差异导致对电子吸引强弱的不同产生电子的偏移,电子向电负性较大的一边集中分布。于是在相互结合的原子之间产生称作偶极矩的极矩p=gr,在有这种偶极子的表面原子组或者有极性的表面官能团与具有偶极子的分子之间,引发力的作用。这种力就叫做偶极子的相互作用,
氯键的强度一般为范德华力的5~10倍,其产生于一个氮原子与两个以上的其他原子结合的过程中,通常,固体表面上多多少少存在一些类似于羧基,氨基,羟精等含有氢原子的极性官能团,这些官能团中的氮原子易与吸附分子申电负性大的氧,硫,氮等非其价电子对形成直线形的氮键。同样,表面官能团中的氧,氮、氟等原子中非其价电子对的存在,使其易与吸附分子的极性官能团的氯原子形成无键。
静电引力是很强的相互作用。目前对于产生电位的机理还不是太清楚,但即使固体,液体等是绝,接触时表面仍会产生静电,电量少却能形成很强的电场。因此,这种老面经常带电的结果就使在发生吸附时产生了静电引力。
表面能够发生氧化、还原、分解等反应的吸附剂,容易与吸附质之间形成具价链,可产生非常强有力的吸附作用。
活性发涌过氧化,还原等手段进行处理,改变其表面官能团的性质。比表面积的大小以及孔径,但是由于置换基的种类以及浓度能够改变表面的化学性质及物理性质,所以能够从多种常剂、溶质所组成的溶液中有选择性地吸附某种南质的表面),
催化剂提供一个高浓度的场所,有利于催化的进行[23.24]。
活性炭的其他应用
随着研究的逐渐深入,活性炭在其他领域出现一些特殊的应用,它的开发和利用给我们的生活带来了许多积极的效果。
①药用、医用:活性炭作为高吸附材料,可以吸附药物,口服进入人体后缓释药物成分,降低服药频率;也可将活性炭用做剂和降血脂药物等。如治疗胃肠失调、腹部脓毒症、血液过滤、血液渗析等用于吸附对于人体有害有毒的物质。
②金属的精选:如利用其与氢氧化铝和氢氧化铁混合物共同沉淀可以从海水中分离铀。
③烟气过滤净化:香烟和烟斗的过滤嘴。
④分析技术:如高真空技术中用来吸附痕量残余气体。⑤温度控制:用来制造吸附恒温器和获取低温。
⑥农林种植:用于缓释土壤中的农肥和农药,改良土壤,调理土壤性能,提高土质和地温。
能源领域:用作储氢材料,作为电池、超级电容器的电极材料。
工业分析,对于活性炭及其原料炭化物中所含有的挥发分数量的测定,通常采用的方法是将试样放在铂金坩埚中,避免与空气接触,在900℃下加热7min,求出加热减量占原试样的百分比,并从该百分比中减去同时进行测定得到的水分值(干燥减量)以后,便得到试样的挥发分含量,灰分(强热残分)的测定方法是将干燥过的试样放在瓷坩埚中,并置于高温电炉内,将其温度调至800~900℃对样品进行灰化,残留物质的质量分数作为灰分,固定碳确定是以干燥试样作为,减去灰分与挥发分所得到的数值,
通常的活性炭由于是在温度为900℃以上制得的,所以挥发分很少。另一方面,炭化温度对原料炭化物的挥发具有很大影响。实验表明,挥发分的含量随着温度的上升而减少,炭化反应在500℃以下剧烈进行,在600~700℃基本结束。固定碳含量在炭化反应结束的700℃以上基本不会再增加,该变化基本上与挥发分相对应,
灰分随炭化得率的降低而增加。灰分是活性炭原料选择方面的一个重要物标。原料中的无机成分在炭化过程中几乎不减少而后残留于木炭中,原料中的灰分含量即使只有1%,活性炭的灰分含量也将达到10%。由于于灰分不具有吸附能力,因此该单位质量的活性炭吸附能力要比灰分含量为零的活性炭的附能力下降10%左右。所以在活性炭的选择过程中,尽可能选择灰分含数量
活性炭比表面积吸附现象发生在固体的表面,物体吸附能力的强弱很大程度上取决于比表面积的大小。有很多分析方法可以用来测定比表面积,其中常用的是BET法。此外还有流通法、液相吸附法、润湿热法。除此之外,通过置射线小角散射也能测定比表面积,但是BET法还是在测定活性炭比表面积方法中常用的。应用此法测定的活性炭的比表面积一般为1000m2/g。
活性炭的分类
根据制造方法、外观形状、用途功能以及孔经大小的不同,可以将活性炭分为不同种类。从形态来看,可以分为颗粒活性炭和粉状活性炭,而颗粒活性酸叉可分为无定形和定形两大类;依据原料的不同,可以将活性炭分为焦木质、石油、煤质和树脂活性炭;根据使用功能的不同又可以分为液体吸附、催化性能、气体吸附活性炭;从制造方法来划分,又分为物理法、化学法和物理化学生活性炭。
从外观形状上分类。
活性炭基本上是非结晶性碳,它由微细的石墨状微晶和将它们连接在一起的碳氢化合物部分组成。活性炭初的原料如木材、煤等,经炭化、活化等过程后,活性炭中部分碳原子之间已形成了微晶碳(活性炭的基本结晶),但是其面网结构却没有采取石墨那样规则性的积层结构,而是形成图1-1(b)那样的乱层结构。除微晶碳外,活性炭前驱体经炭化、活化等过程后仍然有部分未晶化的碳,活性炭被认为是由微晶群和其他未组成平行层的单个网状平面以及无规则碳组成的多相物质。
目前,在X射线衍射分析的基础上,已发现活性炭的微晶碳有两种不同的结构,一种是类石墨结构的微晶碳,其大小随炭化温度而变化,大小约由三个平行的石墨层所组成,其宽度约为一个碳六角形的九倍,它与石墨相比,微晶碳中平面面网之间排列不整齐,称为“乱层结构”,与石墨结构的比较如图1-1所示;另外一种微晶碳是由于石墨网结构之间的轴向不同,面网之间的间距也不整齐,或石墨层间扭曲,可能因杂原子(如氧、氮等)的进入而稳定,碳六面网被空间交联而形成无序的结构。Riley认为,在大部分碳材料中(包括活性炭)均含有这两种结构类型,而活性炭的终特性则取决于它是以哪种类型的结构为主。
富兰克林把除金刚石以外的碳素物质分为容易石墨化的易石墨化碳素和难
活性炭烧结封团、导致活性炭的各种性能开始下降、活化时间选择在1b较好。 Ahoed 等通过氯化锌活化枣核制备了活性炭、结果表明、当活化时间由6h增加至3.5h时,得丰由43%降低至29%,在初的1.25h内降低得快、并在此时达到了大碘吸附值837.54mg/g、且在前1.25h内是有利于中孔增加的、随着活化时间的增加、中孔开始塌陷变为大孔,第四节其他化学活化法
活性炭的应用领域十分广泛、在应用过程中发挥作用的主要是孔结构和表而官能团、所以根据市场的需求有很多科研人员开始关注组合活化法,包括物理化学法、化学 化学法、微波-化学法等。
一、物理-化学活化法
物理化学活化法是结合物理法(CO:、水蒸气法等)与化学法(磷酸、氯化锌、氢氧化钾法等)制备活性炭的一种方法、此类活性炭具有特孔结构和表面官能团。Dolas等?)采用开心果壳与氯化锌前期浸清后,通过后续的高温CO=活化法制备了BET比表面积为3256m²/g、孔容积为1.36cm'/g的活性炭,而采用氯化钠溶液浸清的开心果壳采用高温CO:活化制备了 BET比表面积为3895m/g、孔容积为1.86cm’/g的活性炭。Arami Niya等()采用油棕榈壳为原料,先采用少量氯化锌或磷酸法活化制备具备初期窄微孔的活性炭、然后采用高温CO:活化制备了甲烷吸附用活性炭,此方法可以使得活性炭的孔结构均匀化分布、有利于甲烷的存储。
二、化学-化学活化法
化学-化学法是指结合两种不同的化学活化剂进行活化制备活性炭的方法。 Heidari等()采用赤桉木为原料,先使用磷酸或氯化锌活化制备早期活性炭、然后采用氢氧化钾法进行二次化学活化、制备了具有较高微孔含量(98%)的 CO;存储用活性炭。
三、微波-化学活化法
微波-化学法是指以微波加热的方式来提供化学法(磷酸、氧化锌、氯氧化钾等)活化所需热量来制备活性炭的方法,微波加热相比传统加热方式的优点是可以大幅度缩短活化时间,可以控制在10min左右,Lu等“)以竹子为原料,采用微波加热磷酸活化法制备了比表面积为1432m/g、孔容积为0.696cm'/g的活性炭产品、得率可达47.8%,Hesas等通过微波氧化锌