活性炭的应用(一)
古可隆(中国林业科学研究院林产化学工业研究所,江苏南京 210042)
摘 要:对活性炭的应用作了较为系统的阐述,同时对活性炭(包括活性炭纤维和炭分子筛)及其制品在一些新的技术领域的应用作了简要介绍。
关键词:活性炭;吸附;应用
1 前言
活性炭是具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和优良的吸附性能的含碳物质。它具有吸附、催化、物质在其孔隙内的积聚、保持和碳及其基团同其他物质的反应能力等,并保持物理、化学上的稳定性。此外,活性炭不溶于水和其他绝大部分溶剂。除了高温下同氧接触,同臭氧、氯、重铬酸盐等强氧化剂反应外,在诸多实际使用条件下都极为稳定。能在广泛的pH值和多种溶剂、高温、高压下使用,还能去除放射性物质,以及改善或去除航天、深潜装置中的空气、水的密闭系统中短时间的性能恶化。活性炭在几乎所有的领域都获得了广泛的应用。应当指出的是,不同原料、不同方法制得的活性炭及其制品,吸附性能各异,在应用时应当注意炭种的选择和使用条件的匹配,否则达不到应用效果。
2 影响活性炭吸附的主要因素
由于活性炭的应用十分广泛,要弄清各种因素对吸附性能的影响是相当不容易的。本文仅就活性炭(吸附剂)和被吸附物质(吸附质)的有关特性对吸附的影响作简要表述。
2.1 活性炭结构的影响
在述及活性炭结构时,包括活性炭的基本微晶结构、孔隙结构和化学结构。与吸附密切相关的是孔隙和化学结构。
2.1.1 孔隙结构的影响
活性炭的孔隙结构是指孔隙容积、孔径分布、表面积和孔的形状。在吸附(分离)操作过程中,吸附剂的孔径与吸附质分子或离子的几何大小有一个匹配问题。只有吸附质分子或离子能进入和充填的孔隙才是有效的孔隙,吸附剂这种孔隙容积才是有效孔容。对于不同的吸附质而言有效孔容所对应的孔径分布叫可几孔径。只有可几孔径分布下的孔容和比表面积增加才能增加对某一对应吸附质的吸附能力。因此,在选择吸附剂的时候应当更多地考虑孔径分布的可几性。即有效孔径的孔容和表面积。根据有关资料报导:对吸附剂利用率最高的孔直径和吸附质分子直径的比值为1.7~3,对需要重复再生的吸附剂这一比值为3~6或更高一些。应当指出的是,孔的形状对吸附行为也有不可忽视的影响。众所周知,活性炭的孔隙是由活性炭的基本微晶所围成的。活性炭的微结构有如一堆堆聚的木材刨花或经搓揉的皱纸团。其孔隙有平面狭缝形、直筒形、墨水瓶形、V型、锥形、或这些形式的扭曲形和盲孔。在不同的吸附分离应用场合必须注意,盲孔的存在,使粉炭要求细化变为合理的要求。
2.1.2 化学结构的影响
活性炭的吸附特性不但取决于它的孔隙结构,而且取决于它的化学组成。活性炭微结构由于受到晶体不完整的石墨层的干扰,使微晶中的碳原子的电子云的排列受到明显改变,改变的结果导致了某些碳原子的电子不能形成配对而出现剩余价键。此外,炭结构中的杂原子(如氧、氮、硫、磷、氯等)以及灰分中的微量金属或非金属元素对极性或可极化物质的吸附有显著影响。因此,用含氧、硫、氯、氮化合物和金属盐类对活性炭进行单独或联合处理,改变其表面化学结构使其吸附变为更具选择性,是许多应用场合解决问题的重要手段。
2.2 吸附质特性的影响
在吸附(分离)操作过程中吸附质特性对吸附也有极为显著的影响,弄清吸附质的特性和吸附环境条件对获得好的吸附效果十分重要。
2.2.1 气(汽)相吸附特性
容易液化或沸点高的气(汽)体在同样条件下更易被吸附,反之相反;对混合气(汽)系统而言,在纯净状态下易被吸附的组分被优先吸附;一般情况下吸附操作压力增加,气(汽)的吸附量增加,特别是在常压下吸附性能较小的气体。这是变压吸附的基础;通常条件下操作温度增加气(汽)吸附量减小。
2.2.2 液相吸附特性
溶液中的溶质(吸附质)的分子结构、溶解度、离子化程度、浓度、介质pH值、溶剂种类等对吸附(分离)都有程度不同的影响。一般而言具有下列各种特点。
分子大小相近的芳香族物质比脂肪族物质有更大的可吸附性能;带有支链的物质比直链的具有更大的可吸附性;芳香族的取代基的影响随邻、间、对位而变化;立体异构体对链烃而言反式的比顺式的可吸附性大,而对芳基带支链的正好相反;旋光性基本不影响吸附性能;溶解度大的溶质,可吸附性能小;容易离解的溶质,可吸附性能小,但氢离子除外;对于多溶质的溶液而言,单纯状态下易被吸附者在混合组分中优先被吸附;当加入某一物质会促进另一物质的溶解时,则另一种物质的可吸附性能减小,否则增加;低pH值有利于有机酸的吸附,高pH值有利于有机碱的吸附,对于不同的溶质具有不同的最佳pH值;除了有化学反应以外,温度升高不利于气(汽)体溶质的可吸附性,但对固体溶质则不一定。