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无烟煤滤料中碳分子的排列结构

阅读：227发布时间：2013-4-12

  • 无烟煤滤料中的炭分子通常被认为是无定形碳。X射线衍射分析表明，它结构中含有1-3nm的石墨微晶，所以又有人认为它属于微晶类碳。除了碳之外，活性炭中还含有一些杂原子，形成含氧基团。对活性炭性质起了很重要作用。炭分子的氧化物成分也影响活性炭吸附。炭分子在高温有氧条件下活化。在其表面会形成一些含氧基团，这些无烟煤滤料基团可分为酸性基团和碱性基团两大类。高温活化（（800-900℃）容易形成碱性基团，炭分子低温活化（300-500℃以下）容易形成酸性基团。常见的酸性基团以羟基、内脂基为主，常见的碱性基团是含有氧萘结构的基团，基团的数量大约为0.1-0.5mmol/g。
  • 炭分子表面含氧官能团对其吸附性能有影响。由于酸性官能团多具有极性，因此易对水中极性较强的化合物进行吸附，并妨碍对非极性物质的吸收。如芳香化合物、非极性烷链等。因为水中天然有机物多含有芳香环，所以不宜使用低温活化的活性炭进行吸附操作。活性炭使用失效后的再生也要注意不要形成酸性基团，长期贮存无烟煤滤料由于空气缓慢氧化而产生酸性基团，这也会降低其对水中天然有机物的吸附能力。
  • 无烟煤滤料中炭分子zui主要的结构特征是它的碳分子孔结构。描述孔结构的指标是比表而积，孔径、孔径分布和孔容。炭分子吸附所依赖的巨大比表面积主要是内部孔洞的表而。如果对孔的大小进行区分，则可以分为微孔、过渡孔（中孔）和大孔三种。按纯粹化学和应用化学联合会的规定，微孔是指孔直径小于2nm的孔，无烟煤滤料中孔是指孔直径为2~50nm的孔，大孔是指直径大于50nm的孔。炭分子的孔径结构好比一个城市内四通八达的交通网。大孔在活性炭结构中好比城市的主要干道，中孔好比区域性通道，而微孔则是城市的基层弄堂、巷道。因此，微孔结构是活性炭孔面积的主要来源。有人曾对活性炭不同尺寸孔的面积及孔容进行测定。认为微孔面积要占活性炭比表而积的95%以上（见表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积 表4-5
    孔类型
    孔直径/nm
    孔容/ml/g
    孔面积/m2/g
    孔隙数/个/g
    大孔
    >50
    0.2-0.5
    0.5-2
    1020
    过滤孔（中孔）
    2-50
    0.02-0.2
    1-200
     
    微孔
    <2
    0.25-0.9
    500-1500
     
  • 炭分子比表面积一般在800-1000m2/g左右，目前比表面积zui高的活性炭可达3000m2/g。比表而积测定方法很多，常用的是BET法。除此之外还有液相色谱法。X射线小角度散射法等。BET法是将经真空脱气处理后的活性炭试样，在-196℃下吸附氮气，这时在炭样品表而上吸附一单分子层氮，根据单分子层吸附量及每一氮气分子占据的表面积。利用BET公式计算活性炭比表面积，公式如下：
    S=4.353Vm/m 式中：S--比表面积，m2/g；Vm--在标准温度和压力下，表面为单分子层时吸附的氮气体积，cm3；m--活性炭质量，g；4.353--换算系数。Vm可以通过下式计算：
    P/Va（Po-P）=1/VmC+c-1/VmC P/Po 式中：P--吸附平衡时氮气压力；Po-液氮温度下，被吸附氮气的饱和压力；C--与吸附热有关的常数；Va--平衡压力下试样所吸附的氮气体积。
  • 孔径分布是了解活性炭孔结构和吸附性能的zui主要指标。无烟煤滤料孔径分布测定方法有电子显微镜法、分子筛法、压汞法、X射线小角度散射法等，常用的是压汞法，该法是利用汞不润湿活性炭细孔壁，要让汞进入细孔中就需要压力这一原理，通过下式进行计算：rp'=-2vcoso 式中：r-圆筒形细孔的孔半径；p-汞的压力；v-汞的表面张力；o--汞的接触角。在压力P下，汞应该进入半径r以上的所有细孔中，所以测定由于压力的变化而引起进入汞量的变化，就可以知道孔径太小，进而确定孔径分布。例如某活性炭侧得的孔径分布数据示于表4-6。

  • 炭分子的比孔容一般不超过0.7mL/g，中孔孔容一般约0.1-0.3mL/g，孔容和孔容分布可以在用液氮测比表面积时通过计算求得。比表面积、孔容和孔的平均半径之间存在如下关系：
    r=2V/S 式中：r-假定孔为圆筒状孔时，孔的平均半径；V--比孔容积；S--比表面积。

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