活性炭的特性-物理结构

1．基本晶体结

活性炭由已石墨化的活性炭微晶和未石墨化的非晶炭质构成，非晶炭质与炭微晶的相互连接，构成了活性炭的形状和孔隙结构。活性炭通常被认为是无定形碳，X射线衍射研究显示，活性炭中包含的石墨微晶是粒径尺寸1～3nm的结晶。根据里利（Riley）的X射线分析，除了这些石墨微晶之外，活性炭通常还包含无定形碳以及杂原子，这些因素决定着活性炭结构和性质。在石墨结构中，碳原子以大π键存在进而形成石墨的平面网状结构，平面网的规律性排列形成规整的三维结构，所以石墨具有导热、导电和润滑等特性。其中，C-C键长为1.42Å，面网间距为3.35Å，结构如图1-1（a）所示。

活性炭属于无定形碳的一种，与制备原料（木屑、果壳、煤）相比，由于经过高温炭化、活化等过程，活性炭结构中已形成部分微晶炭，其面网的结构与石墨类似，但是在碳原子六角形排列的完善度、层片大小、平面化程度、层间距等方面与石墨存在着一定差异。除了微晶炭，活性炭中仍有部分非晶质化的炭，所以活性炭被认为是由微晶群和单个网状平面以及无规则炭组成的多相物质。

（a）规则排列的石墨结构（b）活性炭微晶的乱层结构

图1-1 石墨与活性炭的基本品体结构与区别

通过X射线分析，活性炭的炭微晶有两种结构，一种是类石墨结构的微晶炭，其大小受到炭化温度的影响，与石墨相比，微晶炭因平面网之间不整齐排列而出现“乱层结构”。另外一种微晶炭是面网空间交联而形成无序的结构，主要由于石墨网结构之间的轴向不同、面网间距不整齐、石墨层间扭曲或者杂原子（如氧、氮等）的浸入。这两种结构普遍存在于炭材料中，并且直接影响着炭材料的特性。

1. 孔隙结构

无定形碳在活化过程中，其微晶结构间的含碳有机物和无序碳被清除，形成了活性炭的孔隙。活性炭孔隙的形状、大小和分布因原料、炭化和活化过程的不同而有所区别。1960年，杜比宁把活性炭的孔隙分为大孔（孔径＞50nm）、中孔（或称过渡孔，孔径在2～50nm之间）和微孔（孔径＜2nm）三类，这个方案已被“国际纯化学和应用化学学会（International Union of Pureand Applied Chemistry，IUPAC）”所接受。这三类孔隙在活性炭中是相通的，呈现树状的结构。

在杜比宁分类中，大孔能够发生多层吸附，但是由于在活性炭中该类孔隙较少，所以只起到吸附质进入吸附位的通道作用，由于其影响到吸附速度，在应用中也是很重要的因素。中孔不仅起到与大孔相同的通道作用，同时也是大分子的活性位，在有些情况下，传输功能要比活性位更重要，因此中孔也是一类很重要的孔隙结构。微孔是活性炭吸附作用的主要影响因素，对大多数的吸附质来说是主要的吸附活性位，微孔的多少直接关系到吸附能力以及活性炭的比表面积。

比表面积是活性炭的一个重要参数，它的大小直接关系到其应用领域。比表面积大的一般认为有很好的吸附性能。因此，大多数活性炭的比表面积都很大，在400～1000㎡／g之间。在制备活性炭时添加一些添加剂会有效地改变活性炭的孔隙结构，使其吸附性能得到增强，例如：用KOH处理活性炭可得到高比表面积的活性炭。

比表面积一般采用低温氮气吸附法进行测定，主要是考察吸附质的吸附量，然后由BET方程进行计算。BET方程的适用范围与吸附质、吸附剂有关，仅适用于吸附等温线的一部分。一般来说，由于吸附剂的适宜相对压力是一定的，如果超出这个范围就会产生一定的偏差。BET方程是常用的比表面积计算方法，但也存在一定不足：首先，该方法假设了同一吸附层间没有相互作用、上下层分子间存在吸引力。事实上，由于固体表面的不均匀性，各点吸附力也不同，吸附总是优先发生在吸附能强的位置，所以在孔隙内形成的单分子层不都相同；其次，低压吸附不仅包含有单分子层的覆盖还有微孔的填充，吸附剂表面的不均匀性导致了氮气分子截面积确定的不确定性。尽管存在一定的不足，但是仍被认为是计算比表面积的标准方法。

孔的结构主要有开孔型、半闭孔型，如图1-2所示。孔睿是表征活性炭的重要参数之一，一般孔容可达到0.2～1.0cm／8g从这个数据可以看出活性炭的孔容是很大的，对吸附质有一定的吸附容量。测定孔容是以氨气为吸附质，温度在77.3K下测定。