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無煙煤濾料中碳分子的排列結構

閱讀：212發布時間：2013-4-12

  • 無煙煤濾料中的炭分子通常被認為是無定形碳。X射線衍射分析表明，它結構中含有1-3nm的石墨微晶，所以又有人認為它屬于微晶類碳。除了碳之外，活性炭中還含有一些雜原子，形成含氧基團。對活性炭性質起了很重要作用。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。在其表面會形成一些含氧基團，這些無煙煤濾料基團可分為酸性基團和堿性基團兩大類。高溫活化（（800-900℃）容易形成堿性基團，炭分子低溫活化（300-500℃以下）容易形成酸性基團。常見的酸性基團以羥基、內脂基為主，常見的堿性基團是含有氧萘結構的基團，基團的數量大約為0.1-0.5mmol/g。
  • 炭分子表面含氧官能團對其吸附性能有影響。由于酸性官能團多具有極性，因此易對水中極性較強的化合物進行吸附，并妨礙對非極性物質的吸收。如芳香化合物、非極性烷鏈等。因為水中天然有機物多含有芳香環，所以不宜使用低溫活化的活性炭進行吸附操作。活性炭使用失效后的再生也要注意不要形成酸性基團，長期貯存無煙煤濾料由于空氣緩慢氧化而產生酸性基團，這也會降低其對水中天然有機物的吸附能力。
  • 無煙煤濾料中炭分子zui主要的結構特征是它的碳分子孔結構。描述孔結構的指標是比表而積，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部孔洞的表而。如果對孔的大小進行區分，則可以分為微孔、過渡孔（中孔）和大孔三種。按純粹化學和應用化學聯合會的規定，微孔是指孔直徑小于2nm的孔，無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。炭分子的孔徑結構好比一個城市內四通八達的交通網。大孔在活性炭結構中好比城市的主要干道，中孔好比區域性通道，而微孔則是城市的基層弄堂、巷道。因此，微孔結構是活性炭孔面積的主要來源。有人曾對活性炭不同尺寸孔的面積及孔容進行測定。認為微孔面積要占活性炭比表而積的95%以上（見表4-5）。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 表4-5
    孔類型
    孔直徑/nm
    孔容/ml/g
    孔面積/m2/g
    孔隙數/個/g
    大孔
    >50
    0.2-0.5
    0.5-2
    1020
    過濾孔（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zui高的活性炭可達3000m2/g。比表而積測定方法很多，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法是將經真空脫氣處理后的活性炭試樣，在-196℃下吸附氮氣，這時在炭樣品表而上吸附一單分子層氮，根據單分子層吸附量及每一氮氣分子占據的表面積。利用BET公式計算活性炭比表面積，公式如下：
    S=4.353Vm/m 式中：S--比表面積，m2/g；Vm--在標準溫度和壓力下，表面為單分子層時吸附的氮氣體積，cm3；m--活性炭質量，g；4.353--換算系數。Vm可以通過下式計算：
    P/Va（Po-P）=1/VmC+c-1/VmC P/Po 式中：P--吸附平衡時氮氣壓力；Po-液氮溫度下，被吸附氮氣的飽和壓力；C--與吸附熱有關的常數；Va--平衡壓力下試樣所吸附的氮氣體積。
  • 孔徑分布是了解活性炭孔結構和吸附性能的zui主要指標。無煙煤濾料孔徑分布測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，該法是利用汞不潤濕活性炭細孔壁，要讓汞進入細孔中就需要壓力這一原理，通過下式進行計算：rp'=-2vcoso 式中：r-圓筒形細孔的孔半徑；p-汞的壓力；v-汞的表面張力；o--汞的接觸角。在壓力P下，汞應該進入半徑r以上的所有細孔中，所以測定由于壓力的變化而引起進入汞量的變化，就可以知道孔徑太小，進而確定孔徑分布。例如某活性炭側得的孔徑分布數據示于表4-6。

  • 炭分子的比孔容一般不超過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比表面積時通過計算求得。比表面積、孔容和孔的平均半徑之間存在如下關系：
    r=2V/S 式中：r-假定孔為圓筒狀孔時，孔的平均半徑；V--比孔容積；S--比表面積。

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