活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)
與活性炭吸附性能最直接的因素是表面的氧化物復(fù)體的性能。活性炭的結(jié)構(gòu)、其化學(xué)組成甚至活化方式都可以引起或改變活性炭的表面化學(xué)性質(zhì),從而引起吸附性能的變化。
從活性炭本身的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),活性炭的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)由基本微晶構(gòu)成,在二維空間與石墨類(lèi)似,由呈六角形的碳原子平行層片組成,在高溫活化時(shí),由于燒卻等原因,形成晶格缺陷,出現(xiàn)晶格歪扭或不完整,邊角上的碳原子存在剩余價(jià)健或不成對(duì)電子,因而使該點(diǎn)碳原子由于共價(jià)鍵的不飽和而有更大的反應(yīng)趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)表面氧化物分為酸性和堿性官能團(tuán)兩大類(lèi)。酸性官能團(tuán)包括:羧基、酚羥基、內(nèi)酯基、醇基、酮基、醚基等,如下圖所示:
這些官能團(tuán)使活性炭具有一定的化學(xué)吸著能力。并使活性炭表面可以進(jìn)行鹵化、氫化、氧化等作用以及在許多反應(yīng)中起催化作用,從而增強(qiáng)活性炭的吸附性能。
從活性炭的化學(xué)組成以及加工方式來(lái)說(shuō),活性炭有5%-20%的重量由非炭物質(zhì)所組成,這其中主要包括了金屬元素和一些氧化物、含氧官能團(tuán)。活性炭中金屬元素所占成分的多少主要由加工活性炭的原材料決定,例如煤質(zhì)炭所含的金屬元素就稍比木質(zhì)炭多一些?;钚蕴恐谢曳莺推渌s原子的存在使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià),氧和其它雜原子吸著于這些缺陷上,形成了部分氧化物或含氧官能團(tuán),其含量主要決定于制造活性炭的原材料、活化溫度以及活化過(guò)程中與炭化產(chǎn)物與氧氣的接觸情況。另外,采用化學(xué)法活化的活性炭還經(jīng)常會(huì)有一些活化藥劑殘留在活性炭表面并與之結(jié)合,這些因素都會(huì)引起活性炭表面極性的變化,使活性炭帶有一定的弱極性。因而由于表面化學(xué)特性的作用,活性炭不僅可以去除水中的非極性吸附質(zhì),還可以去除一些極性吸附質(zhì),甚至是某些微量的金屬離子及其化合物?;钚蕴勘砻嫜趸锏某煞种饕芑罨^(guò)程影響。在400度左右的溫活化時(shí),主要形成羧基、醇基、羚基等酸性官能團(tuán),隨著活化溫度的升高,酸性官能團(tuán)越來(lái)越少,而羥基、醚基等堿性官能團(tuán)逐漸增加。當(dāng)活化溫度達(dá)到850℃時(shí),羧基等酸性官能團(tuán)完全消失,而羥基等堿性官能團(tuán)達(dá)到最大值?;罨瘻囟瘸^(guò)850℃時(shí),堿性官能團(tuán)略有減少,酸性官能團(tuán)略有增加。我國(guó)活性炭多在900℃左右的溫度下活化,所以活性炭表面含氧官能團(tuán)主要是堿性官能團(tuán)。這些官能團(tuán)在水溶液中發(fā)生離解,使活性炭表面具有某些陽(yáng)離子特性,極性增強(qiáng),與水中酸性物質(zhì)結(jié)合,形成活性炭物理化學(xué)吸附的又一特點(diǎn)。