活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)

1、孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)

活性炭的孔隙是由于在活化過程中，無定形炭的基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無序炭（有時也從基本微晶的石墨層中除去部分碳）之后產(chǎn)生的孔隙，因制備活性炭的原料、炭化及活化的過程和方法等不同，所以形成的孔隙形狀、大小和分布等也不同。1960年杜比寧把活性炭的孔分為大孔（孔徑大于50nm）、中孔（或稱過渡孔，孔徑在2-50nm之間）和微孔（孔徑小于2nm）三類，這個方案已被國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)學(xué)會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC） 所接受。在活性炭中，這三類大小不同的孔隙是互通的，呈樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1-3所示。

通過高分辨透射電子顯微鏡的研究表明，活性炭中的微孔是活性炭微晶結(jié)構(gòu)中彎曲和變形的芳環(huán)層或帶之間的具有分子尺寸大小的間隙。使用不同的方法研究發(fā)現(xiàn)：有些孔隙具有縮小的入口（瓶狀孔），有些是兩端敞開的毛細管孔或一端封閉的毛細管孔，還有一些是兩平面之間或多或少比較規(guī)則的狹縫狀孔、Ⅴ形孔等。

杜比寧分類中大孔的內(nèi)表面能發(fā)生多層吸附，但在活性炭中，由于它的比例很少，所以大部分只起著作為被吸附質(zhì)分子進入吸附部位的通道作用，但它作為支配吸附速度的因素，在實際應(yīng)用中也是很重要的。過渡孔的作用不是單純的，在很多情況下和大孔相同，也是作為吸附質(zhì)的通路從而支配吸附質(zhì)速度，同時，對于不能進入微孔的大分子也起著吸附部位的作用。活性炭的吸附作用大部分是由微孔進行，吸附量受微孔支配。微孔的生成，對應(yīng)于微量的重量損失就能行成非常大的比表面積。

2、孔容積計算

在活性炭中，隨著活化的進行，細孔容積增加。可以認為，細孔的發(fā)達決定了細孔容積的增加。如果確定了比表面積（S）和細孔容積（V），并假設(shè)細孔形狀為圓筒形，可用下式計算細孔半徑（r）：

r=2V/S

如果細孔的形狀是由平行平面組成的裂縫狀，上式中的細孔半徑就相當于平面間隔，若假定細孔為獨立的球狀，則上式為：

r=3V/S

3、孔徑分布的確定

若要具體了解活性炭的細孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布測定是較好的手段。通常活性炭吸附性能的一半，可以用孔徑分布來表示。通常，測定孔徑分布的方法有電子顯微鏡法、分子篩法、壓汞法、毛細管凝結(jié)法、X射線小角散射法等。常用的壓汞法利用了汞不潤濕活性炭細孔壁，所以要把它壓入細孔中就需要壓力的這一原理，則下式成立：

rp=-2γcosθ

式中，r為圓筒形細孔半徑；p為加在汞上的壓力；θ為汞的接觸角；γ為汞的表面張力。

在壓力p下，汞應(yīng)該進入半徑在r上的所有細孔中，所以可以測定由于壓力的增加而進入的汞量，由此測定各個孔徑大小，進而確定孔徑分布。