活性炭的原子结构分析

    在自然界中，以游离状态存在的碳有三种同素异形体，即：金刚石(等轴晶系结晶)、石墨(六方晶系结晶)和无定型碳。在金刚石的晶体内，所有碳原子相互之间用强的共价键成等距离排列，每个碳原子位于一个正四面体的中心，周围4个碳原子位于4个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。在这类晶体中是分辨不出单个分子的，只能把整个晶体看成一个巨大的三向分子。金刚石碳原子的所有价电子，都形成共价键而没有自由电子，所以没有导电性。不受酸碱的作用。
    在石墨晶体中，碳原子排列成层状结构，在一个平面层片上碳原子排列成正六角形，碳原子就分布在各六角环的顶点上。彼此间的距离比苯环中碳原子的距离0．139nm稍大一些，为O．142nm，石墨是由许多这样相互平行的层片构成。
    对每个碳原子来说，它的4个电子只有3个与它在同一平面层内的另3个碳原子形成共价键，在层与层之间，由于距离较近它们不是以化学键相联结，而是以较弱的分子间引力相联结。因此，各层间容易滑移和分离，使石墨具有质较滑腻的特性。由于石墨有一个比较自由的、未成键的电子，故石墨能传热、导电。由于石墨的层状结构使其许多特征显方向性。
    研究表明，作为无定型碳，活性炭结构中含有微晶石墨。所谓石墨微晶是类似于石墨的二向结构，但其结构和石墨有所不同，平行的网面对于它们的共同的垂直轴并不是完全定向的，一层对另一层的角位移是紊乱的，各网平面是不规则地相互重叠。一般把这种排列称为乱层结构。常见的基本微晶约由3～4个平行的石墨层片所组成，它的直径约为一个碳的六角体宽度的9倍。基本微晶的大小常由于活化或者炭化温度的升高而增大。
    进一步的研究表明，活性炭一类的无定形碳并不是微晶的集合体，而是由数层平行的碳网平面组成的微晶群、其他未组成平行层的单个网平面组成的微晶群、其他未组成平行层的单个网平面以及无序碳等部分构成的。所谓无序碳是指具有脂肪族链状结构的碳、附着在芳香族结构边缘上的碳以及参与微晶相互之间架桥结构的碳等。
    X射线衍射研究结果表明，不同的含碳材料在加热过程中，微晶相互间的排列以及其与微晶轴的方法有两种不同的方式：一种是基本整齐的，并且与微晶轴的方向总体一致；另一种是杂乱的，无论是微晶间的排列还是微晶与轴的方向，前者叫易石墨化炭，后者叫难石墨化炭。易石墨化炭制得的炭比较软，孔隙不太发达，而难石墨化炭微晶间孑L隙发达，结构牢固。一般来说，活性炭兼具有两种结构，大部分活性炭以难石墨化结构为主，尤其是以无烟煤为主要原料制成的煤基活性炭。    以下从理论人手，由活性炭结构的小单位原子开始，而后解析其结构单元，对活性炭的机能基础的原子性结构进行说明。
    碳原子具有(2s)2、(2p)2两种价电子，化学结合时形成sp、sp。、sp。三种混合轨道。特别是构成活性炭的基本结构单元的结构，是由sp。混合轨道所形成的、结合角为120。的平面结构。严格说来，如图l一2所示的那样的一种二元格子结构，可以说是活性炭的碳原子排列中所能见到的唯一的规则结构。由这样排列的碳原子所形成的基底面规则性地积层结构所构成的三元结晶称作石墨。在X射线衍射中能观察到三元结构形成的峰。但是，构成活性炭的孔壁的碳素固体虽然叫做石墨状微晶，二元格子却没有采取石墨那样规则性的积层结构，而形成如图1—3中所示的乱层结构。
    由活性炭的x射线衍射图可见，在活性炭中不存在严格意义上的三元性规则结构。从结晶的本来定义是原子具有三元空间性规则配列结构的固体来衡量，活性炭孔壁中的固体便不能叫做结晶。在本节中，为叙述方便，仍按照惯例将其称作微晶。
    据研究，用X射线衍射能够求得形成活性炭的石墨状微晶的三元性的大小。其微晶间的空隙便构成了孔隙。活性炭的结构不是单纯的，各个微晶大小不等，微晶结构不均一；另一方面，活性炭的构成元素不仅有碳，还有氮、氧、氢等其他元素，它们以表面官能团的形态存在。而且，活性炭的结构不一定就是坚固的结构。活性炭的微晶随着对其他分子进行吸附和脱附，其结构也将发生变化。