無(wú)煙煤濾料中的炭分子通常被認(rèn)為是無(wú)定形碳。X射線衍射分析表明，它結(jié)構(gòu)中含有1-3nm的石墨微晶，所以又有人認(rèn)為它屬于微晶類碳。除了碳之外，活性炭中還含有一些雜原子，形成含氧基團(tuán)。對(duì)活性炭性質(zhì)起了很重要作用。炭分子的氧化物成分也影響活性炭吸附。炭分子在高溫有氧條件下活化。在其表面會(huì)形成一些含氧基團(tuán)，這些無(wú)煙煤濾料基團(tuán)可分為酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)兩大類。高溫活化((800-900℃)容易形成堿性基團(tuán)，炭分子低溫活化(300-500℃以下)容易形成酸性基團(tuán)。常見的酸性基團(tuán)以羥基、
內(nèi)脂基為主，常見的堿性基團(tuán)是含有氧萘結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，基團(tuán)的數(shù)量大約為0.1-0.5mmol/g。
炭分子表面含氧官能團(tuán)對(duì)其吸附性能有影響。由于酸性官能團(tuán)多具有極性，因此易對(duì)水中極性較強(qiáng)的化合物進(jìn)行吸附，并妨礙對(duì)非極性物質(zhì)的吸收。如芳香化合物、非極性烷鏈等。因?yàn)樗刑烊挥袡C(jī)物多含有芳香環(huán)，所以不宜使用低溫活化的活性炭進(jìn)行吸附操作。活性炭使用失效后的再生也要注意不要形成酸性基團(tuán)，長(zhǎng)期貯存無(wú)煙煤濾料由于空氣緩慢氧化而產(chǎn)生酸性基團(tuán)，這也會(huì)降低其對(duì)水中天然有機(jī)物的吸附能力。
無(wú)煙煤濾料中炭分子*主要的結(jié)構(gòu)特征是它的碳分子孔結(jié)構(gòu)。描述孔結(jié)構(gòu)的指標(biāo)是比表而積，孔徑、孔徑分布和孔容。炭分子吸附所依賴的巨大比表面積主要是內(nèi)部孔洞的表而。如果對(duì)孔的大小進(jìn)行區(qū)分，則可以分為微孔、過(guò)渡孔(中孔)和大孔三種。按國(guó)際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的規(guī)定，微孔是指孔直徑小于2nm的孔，無(wú)煙煤濾料中孔是指孔直徑為2~50nm的孔，大孔是指直徑大于50nm的孔。炭分子的孔徑結(jié)構(gòu)好比一個(gè)城市內(nèi)四通八達(dá)的交通網(wǎng)。大孔在活性炭結(jié)構(gòu)中好比城市的主要干道，中孔好比區(qū)域性通道，而微孔則是城市的基層弄堂、巷道。因此，微孔結(jié)構(gòu)是活性炭孔面積的主要來(lái)源。有人曾對(duì)活性炭不同尺寸孔的面積及孔容進(jìn)行測(cè)定。認(rèn)為微孔面積要占活性炭比表而積的95%以上(見下表格)。所以活性炭的吸附能力主要是由微孔引起的。
炭不同尺寸孔的孔容和孔面積
孔類型 孔直徑/nm 孔容/ml/g 孔面積/m2/g 孔隙數(shù)/個(gè)/g
大孔 >50 0.2-0.5 0.5-2 1020
過(guò)濾孔(中孔) 2-50 0.02-0.2 1-200
微孔 <2 0.25-0.9 500-1500
炭分子比表面積一般在800-1000m2/g左右，目前比表面積*高的活性炭可達(dá)3000m2/g。比表而積測(cè)定方法很多，常用的是BET法。除此之外還有液相色譜法。X射線小角度散射法等。BET法是將經(jīng)真空脫氣處理后的活性炭試樣，在-196℃下吸附氮?dú)?，這時(shí)在炭樣品表而上吸附一單分子層氮，根據(jù)單分子層吸附量及每一氮?dú)夥肿诱紦?jù)的表面積。利用BET公式計(jì)算活性炭比表面積，公式如下：S=4.353Vm/m 式中：S--比表面積，m2/g;Vm--在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，表面為單分子層時(shí)吸附的氮?dú)怏w積，cm3;m--活性炭質(zhì)量，g;4.353--換算系數(shù)。Vm可以通過(guò)下式計(jì)算：
P/Va(Po-P)=1/VmC+c-1/VmC P/Po 式中：P--吸附平衡時(shí)氮?dú)鈮毫?Po-液氮溫度下，被吸附氮?dú)獾娘柡蛪毫?C--與吸附熱有關(guān)的常數(shù);Va--平衡壓力下試樣所吸附的氮?dú)怏w積。
孔徑分布是了解活性炭孔結(jié)構(gòu)和吸附性能的*主要指標(biāo)。無(wú)煙煤濾料孔徑分布測(cè)定方法有電子顯微鏡法、分子篩法、壓汞法、X射線小角度散射法等，常用的是壓汞法，該法是利用汞不潤(rùn)濕活性炭細(xì)孔壁，要讓汞進(jìn)入細(xì)孔中就需要壓力這一原理，通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：rp'=-2vcoso 式中：r-圓筒形細(xì)孔的孔半徑;p-汞的壓力;v-汞的表面張力;o--汞的接觸角。在壓力P下，汞應(yīng)該進(jìn)入半徑r以上的所有細(xì)孔中，所以測(cè)定由于壓力的變化而引起進(jìn)入汞量的變化，就可以知道孔徑太小，進(jìn)而確定孔徑分布。
炭分子的比孔容一般不超過(guò)0.7mL/g，中孔孔容一般約0.1-0.3mL/g，孔容和孔容分布可以在用液氮測(cè)比表面積時(shí)通過(guò)計(jì)算求得。比表面積、孔容和孔的平均半徑之間存在如下關(guān)系：
r=2V/S 式中：r-假定孔為圓筒狀孔時(shí)，孔的平均半徑;V--比孔容積;S--比表面積。
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