活性炭的孔隙结构微观分析

    活性炭具有丰富的空隙结构，形成了活性炭巨大的比表面积，使活性炭具有吸附气体和液体分子的能力，因此，活性炭的空隙结构对活性炭的吸附性能有非常重要的影响。
    活性炭不同的孑L径能够发挥出相应的机能。国际纯粹与应用联合会(IUPACl972)依据不同的尺寸空隙中分子吸附剂的不同，将孔分为三类：孔隙直径大于5nm的为大孔；孔隙直径在2～50nm之间的为中孔；直径小于2rim的为微孔。
    大孔是吸附发生时吸附质的通道，其比表面积一般很小，约0·5～2m／g，本身也无吸附作用。但当活性炭用于催化领域时，较大的孔隙作为催化剂沉积的场所是十分重要的，通过让微生物及菌类在其中繁殖，使得无机的碳材料能发挥生物质机能，而且，随着微生物及菌的种类不同，其机能相应变化。因此，生物活性炭需要一定数量的大孔。
    中孔在活性炭的应用中起着十分重要的作用，首先它能用于添载催化剂及各种化学药品，随着所添载的化学药品种类的不同，机能随之不同，从而使活性炭具有催化剂性能或其他特殊吸附性能；同时中孔在足够的蒸气压下按毛细凝聚原理吸附蒸汽，这表现在中孑L发达的活性炭对有机大分子有很好的吸附作用，常用于除去溶液中较大的有色杂质或呈胶状分布的颗粒而使溶液脱色；其次，中孔可作为吸附质进入微孔的通道。中孔的比表面积一般在20～70m。／g，也可以采用特殊的原料和工艺制得中孔发达的活性炭以增强活性炭的脱色效果和气相吸附性能，此时，其表面积可达200~700m／g。
    微孑L的比表面积一般可达800～1000mz／g，通常约占活性炭总比表面积的90％～95％，呈现出很强的吸附作用。在吸附及充填过程中，其进程不仅依赖于空隙形态，而且受吸附质性能以及吸附质一吸附剂间相互作用的影响。因此，微孔主要决定活性炭的吸附特性。
    孔结构和孔形状对于吸附都有很大影响，微孔碳结构中存在的几种空隙有：开孔型、部分闭孑L型和间充笼型，如图1—4所示。
    由于特殊的碳结构，使得碳质吸附剂的孔隙具有狭缝型的特征，这与其他类型吸附剂的孑L隙有明显区别：如苯分子是一种片状分子，可以被孔隙尺寸为O．4nm的碳分子筛吸附而不被空隙尺寸为O．4nm的沸石所吸附；碳分子筛可优先吸附扁平的苯分子而不吸附椅型或船型的环己烷分子或异丁烷分子，后两种分子不能进入狭缝型孑L隙。
    按照分子大小尺度和吸附剂之间的关系所划分的吸附状态主要有4种：
    ①分子尺度>细孔直径，此时因分子筛的作用，分子无法进入空隙，故不起吸附作用；
    ②分子尺度≈细孔直径，此时分子直径与细孔直径相当，吸附剂对吸附分子的捕捉能力非常强，适于极低浓度下的吸附；
    ③分子尺度<细孑L直径，此时吸附质分子在细孔内发生毛细凝聚，吸附量大；
    ④分子尺度≤细孔直径，此时吸附的分子容易发生脱附，脱附速度快，但低浓度小的吸附量小。
    通常微孔碳吸附剂的微孑L的实际尺度应与气相吸附分子尺度相当或小于微孔径。
    有代表性的活性炭的微孔与中问孔的孔径分布特征见表lf6。在活化法与孔径分布两者关系中，特征是氯化锌活性炭比孑L径大的水蒸气活性炭的空隙多。在活性炭的原料与孑L径分布的关系中，椰子壳活性炭与煤制活性炭相比较，前者孔径集中分布在孔径小的地方，其特征是孔径大的空隙少。因此，椰子壳活性炭常常用在吸附分子体积比较小的气相吸附中。
    即使都是煤类原料，用煤化程度比较低的褐煤及泥煤为原料生产出来的活性炭，具有形成比较多的中间孔的倾向。因此，该种活性炭产品可以用于分子体积比较大的物质的液相吸附中，如染料及腐殖酸。
    据研究，吸附质分子的大小与活性炭孔隙的大小相适应时有利于吸附。有文献报道，当孔隙大小为吸附质分子的2～4倍时有利于吸附，因此，可以根据吸附质分子选择吸附性能好的活性炭。但一般活性炭的孑L径并不均一，因而选择性吸附效果差。采用特殊的方法可以制成孔径基本均一的活性炭用于选择性吸附，这类活性炭成为碳分子筛。