活性炭的结构及性质.pdfVIP

第二章活性炭静态吸附试验 第二章 活性炭静态吸附试验 2.1活性炭的结构及性质 活性炭是以含炭为主的物质，如煤、木材、骨头、硬果壳等做原料，经高 温炭化和活化而成的多孔性吸附剂。它具有良好的吸附性能，化学稳定性好，可 耐强酸及强碱，能经受水浸、高温、高压的作用，是水处理技术中的重要吸附剂。 2.1.1活性炭的结构特征 活性炭在制造过程中，挥发性有机物去除后，晶格间生成的空隙形成许多形 状和大小不同的细孔。这些细孔孔壁的总表面积 (即比表面积)一般高达500^- 1700m飞，这就是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因4[6] 而表面积相同的炭，对同一种物质的吸附容量有时也不同，这与活性炭的细 孔结构和细孔分布有关。细孔构造随原料、活化方法、活化条件不同而异，一般 可以根据细孔半径的大小分为3种:微孔(^2oA)、过渡孔或中孔(20-1oooA), 大孔 (1000^-100000人)。微孔表面积占活性炭总表面积的95%以上，是活性炭 吸附有机物的主要场所，对吸附量的影响最大;过渡孔占总表面积的5%以下， 是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的必由之路，吸附质在 孔道中的扩散速度受过渡孔的影响很大;大孔占总表面积的比例不足1%，它主 要为吸附质提供扩散通道[7J，当GAC作为具有生物处理功能的BAC时，大孔又 是大量微生物的繁殖和栖息之地。 活性炭的细孔分布对其吸附容量有很大影响，分子筛作用使具有一定尺寸的 吸附质分子不能进入比其直径小的孔隙[4n。活性炭的细孔分布及各部位所担负的 作用见图2-1. 第二章 活性炭静态吸附试验 图2-1活性炭细孔分布及吸附作用示意图 2.1.2活性炭的表面化学性质 活性炭的吸附特性不仅受细孔构造的影响，而且受活性炭表面化学性质的影 响。GAC的化学组成如表2-1所示: 表2-1粒状活性炭的化学组成[71 活性炭中氢和氧的存在对活性炭的吸附特性有很大的影响。在炭化及活化的 过程中，由于氢和氧与碳以化学键结合，使活性炭的表面上有各种有机官能团型 式的氧化物及碳氢化物，如COOH，-OH,C=O等基团，其中COOH和一 OH在电解质溶液中呈酸性，而C=O则呈碱性，主要官能团的含量如表2-2所 不 : 表2-2颗粒活性炭的表面官能团的含量[71 官能团 }COOH --OH 内酷基 酸性官能团 碱性官能团 总量 总量 含量 0.0580 0.0980 0.0424 0.1984 0.4151 (meq/g) 第二章 活性炭静态吸附试验 这些氧化物使活性炭与吸附质分子发生化学作用，显示出活性炭的选择吸附 性。一般来说，活性炭的氧含量越高，其酸性也就越强。具有酸性表面基团的活 J性炭具有阳离子交换特性，氧含量低的活性炭表面表现出碱性特征以及阴离子交 换特性9[1 2.1.3活性炭的吸附过程 当含有有机污染物等杂质的水与活性炭接触时，水中溶解的有机物先扩散到 活性炭的外表面，然后通过活性炭内部的细孔扩散到吸附表面，在表面作用下与 吸附表面发生吸附结合，使原水得以净化。 用于水处理时，活性炭作为固体吸附剂，水是液相介质，水中的污染物则是 被吸附的吸附质。吸附过程包括吸附质扩散进入活性炭内和吸附反应两个步骤。 内扩散过程有两个途径:一个是表面扩散，另一个是孔隙扩散;而吸附反应速度 极快，因此，吸附达到平衡所需的时间主要由扩散过程控制[[481 活性炭对污染物的吸附有两种方式:一种是范德华吸附 (即物理吸附)，吸 附质通过一种相当弱的力结合到吸附剂表面上，在这种吸附中，被吸附分子的化 学性质保持不变，吸附质可相对于吸附剂自由移动，吸附是可逆的;另一种方式 是化学吸附，前面已经提到，活性炭在制造过程中炭表面能生成一些官能团，这 些官能团使活性炭表面和吸附质之间有电子交换或共享而发生的化学反应，这种