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活性炭的空隙结构及分布
活性炭的空隙结构及分布
发布时间:2021/9/26 14:58:14      来源:http://www.huoxingtan123.com      浏览:

    活性炭的孔隙是由于碳在活化过程中无组织的碳素和碳成分被消耗后,在基本微晶间(非晶部分)留下的空间。活性炭虽由与石墨相似的微小碳晶片组成,但其晶片只有几个碳原子厚,并由一些碳分子构成许多开口孔穴壁。这些开口孔穴直径约在0.8~200nm之间。只要活化方法适当,可以形成非常多的孔隙,其孔隙壁的总面积,即通常所说的表面积一般可达到500~1700m2/g,这就是活性炭显示出大吸附容量的主要原因。相同表面积的活性炭,其吸附容量相差悬殊的现象也存在,这与孔隙的形状、分布有关,也与表面化学性质有关。

    关于孔隙的形状很难取得一致的认识,一般情况下,多采用假定的圆筒形。此外,不同的研究方法所采用的形状也不相同,例如瓶颈形、两端开放的毛细管形、一端闭塞的毛细管形、两个平面形成的平板形、V字形和圆锥形等。计算上一般是将孔隙假定为圆筒形毛细管状。

    杜比宁(Dubinin)将活性炭的孔隙分布分为三个系列,按照孔隙的大小分为:

    大孔:半径为(1000~100000)×10-10m;过渡(中)孔:半径为(20~1000)×10-10m;微孔:半径<20×10-10m。

    由于活性炭的种类不同,其微孔容积约在0.15~0.9mL/g之间,它占单位重量活性炭总面积的95%以上。从这个数字来看,与其他吸附剂相比,活性炭具有微孔特别发达的特性。

    过渡孔的容积通常为0.02~0.1mL/g,比表面积不超过总面积的5%。但是,采取特殊的活化方法,在特殊的活化条件(延长活化时间,减缓升温速度,使用药品活化,如抓化锌活化或磷酸活化等)下能够制造出过渡孔发达的活性炭。其容积可达0.3~0.9mL/g,表面积可达到或超过200m2/g。

    大孔容积为0.2~0.5ml/g,其表面积较小,一般不超过0.5~2.0m2/g。

    活性炭的三种孔隙都有各自的吸附特性,而对吸附起决定作用的则是微孔。但是,直接分布在活性炭外表面上的微孔是很少的,通常由大孔中分出过渡孔,进而再由过渡孔分出微孔,见图5。因此吸附质要吸附于微孔中,必须先经过大孔和过渡孔。另外在液相吸附中,分子直径大的吸附质很难进入微孔中,于是便吸附于过渡孔中,因此一定程度的过渡孔是必要的。大孔的表面积占总表面积的比例很小,对吸附量没有很大影响,但当活性炭作为催化剂载体使用时,其作用就显得重要了。

    隙分布对吸附容量有很大影响,其原因是因为存在着分子筛作用。这是由于一定尺寸的吸附质分子不能进入比其直径小的孔隙,究竟能允许多大的分子进入,按照立体效应,大约是孔径的0.5~0.2。此外,在液相吸附中还存在着吸附质分子的溶剂效应影响,即在液相中吸附质的表观分子直径变大,直径小的孔隙往往进不去。

    活性炭的制作是将有机物质,如树木、果壳、果核、糖以及褐煤、烟煤、无烟煤等,在CO、CO2、H2O的气氛下(隔绝空气)加热到800~900℃,进行活化,即得到活性炭;在活化过程中,大约有20%炭被汽化。

    C+CO2→2CO

    C+H2O=====CO+H2

    留下的炭呈透穿微孔结构,孔隙非常发达,且多为开口孔隙,微孔直径0.5~2μm。因此活性炭具有巨大的比表面(400~1000m2/g)。活性炭的活性,是巨大的比表面和存在于表面的反应基团二者结合所产生的作用。

    用于从氰化矿浆中吸附金的活性炭是采用高温热活化方法制得的,即将椰壳或果核等在500~600℃的惰性气体中进行脱水和炭化,再于800~1100℃的水蒸气、二氧化碳、空气或它们的任意混合气体中进行活化,而使它的微晶组织占优势。经这样制造的典型椰壳炭,孔径在1.0nm左右的孔穴,约占孔穴总体积的90%。

    总之,孔隙分布是对活性炭吸附具有很大影响的物理因素。由于在孔隙或表面积测定方法中存在着各种各样的问题,因此就吸附和孔隙分布的关系进行理论解析是困难的。一般来讲,粉状活性炭大孔较多,而粒状活性炭微孔发达。


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