活性炭為暗黑色,有良好吸附性能的吸附劑。化學穩定性好,耐酸堿,不溶于水和有機溶劑,能經受水浸,高溫和高壓的作用,失效后可以再生。
活性炭具有高度發達的孔隙結構和很大的比表面積。因此,使它具有很大的吸附能力,這種吸附特性是使活性炭有廣泛用途的zui顯著的特征之一。
活性炭的吸附有物理吸附和化學吸附?;瘜W吸附的作用力是價健力,物理吸附的作用力是范德華力。范德華力包括取向力、誘導力和色散力。
一切含碳物質都可以用來制造活性炭,常用的原材料有煤、果殼、木材、石油焦、合成樹脂、紙漿等,隨原材料的不同和加工工藝的不同使活性炭的性能有一定差異,果殼炭有發達的微孔容積,灰分低,且灰分中有害物質較少。木質炭有較多的中孔,對較大分子有很好的吸附能力。我國有豐富的煤炭資源,精選煤炭制造出的活性炭具有大的比表面積,發達的微孔容積,但中孔較少。煤質活性炭有柱狀炭、壓塊炭,可通過配煤的方法進一步提高性能,而破碎炭由于用煤破碎后直接炭化、活化而制成。所以性能受到原材料的影響較大。
根據活性炭性能的特點,可分為氣相吸附炭、液相吸附炭、糖用炭、工業炭、催化劑和催化劑載體炭等。
活性炭與其它吸附劑相比有以下特點:
1、屬于非極性吸附劑
活性炭能選擇的吸附非極性物質,是疏水性的非極性吸附劑,對不飽和的含碳化合物,選擇吸附性小;硅膠礬土類吸附劑是極性吸附劑,親水性強,對極性分子吸附力大,對不飽和含碳化合物吸附能力大。
2、比表面積大
活性炭的密度、孔隙率、孔容積、比表面積等物理性質與其它幾種吸附劑相比,活性炭比表面積zui大,平均孔徑zui小。一般來說,比表面積大,吸附能力大,比表面積相同的活性炭,其吸附力不一定相同,這是由于它們的孔隙形狀、孔徑分布、表面化學性質及灰分存在差別。
3、孔結構發達
活性炭在碳化和活化過程中,形成了許多形狀、大小不同的孔隙,總表面積可達到500~1700m2/g。
按孔隙半徑的大小分為三種
孔隙種類 | 有效半徑(A) | 孔隙容積(cm3/g) | 比表面積(m2/g) |
大孔 | 1000~2000 | 0.2~0.5 | 0.5~2.0 |
過渡孔(中孔) | (15-16)~(1000-2000) | 0.02~0.1 | 占總比表面積的5% |
粗微孔 細微孔 | (6-7)~(15-16) 6~7 | 0.15~0.9 | 占總比表面積的95% |
活性炭有發達的孔結構,孔徑分布范圍比較廣,能吸附各種物質,只是選擇性吸附較差,吸附質分子與活性炭孔隙大小相適應時,吸附效果。有研究認為,活性炭孔隙半徑比吸附質分子的半徑大3~4倍時吸附效果。
一般過渡孔發達的活性炭,有利用液相吸附,因為液體中有機物分子比較大;而微孔發達的活性炭有利于氣相吸附。
4、活性炭的表面特征
活化條件影響活性炭表面特征。在高溫下用水蒸汽活化制得的顆粒活性炭,表面含酸性氧化物,這些表面氧化的性質直接影響活性炭的吸附性質。不同活化條件制得的活性炭吸附性能也不同,水蒸汽活化法活性炭對堿、碘的吸附能力要比氯化鋅法活性炭小,對酸的吸附能力隨活化溫度升高而增大。
5、活性炭的催化性能
在各種異構化、聚合氧化和鹵化中,活性炭既可作為接觸催化劑,也可作為催化劑載體,這與活性炭的孔結構、表面特性及灰分量、灰分成分有關,且對催化劑的活性、選擇性和使用壽命有較大影響,具有助催化作用。
6、性質穩定容易再生
活性炭耐酸、耐堿,不溶于水和有機溶劑?;瘜W性質穩定,所以能在水溶液和許多溶劑中使用,且耐高溫、高壓。在較強氧化條件下,易發生氧化反應。在高溫下,活性炭能與氧反應。氯化鋅法活性炭在與強氧化劑接觸時,能發生氧化分解作用。
活性炭使用一段時間后,吸附能力減弱、失效,可以通過各種方法使其再生,恢復其原來的吸附能力,反復使用。
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