活性炭的作用

發(fā)布時間：2010/8/24 10:15:02 瀏覽次數(shù)：1790

文章來源：嵩山科技網(wǎng)絡(luò)部作者：嵩山科技小編

       活性碳（activated carbon）是一種黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳。所謂無定形碳是形容其內(nèi)部的碳原子結(jié)構(gòu)沒有固定的排列順序而言。實際上它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是真切的無定形體，而是具有和石墨（graphite）一樣結(jié)構(gòu)的晶體，石墨是制作鉛筆筆心的材料?；钚蕴寂c石墨*的不同，在于它的碳原子六角形環(huán)狀平面形成的層狀結(jié)構(gòu)零亂而不規(guī)則，晶體形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量雜質(zhì)。主成分除了碳以外還有氧、氫、氮等元素。
　　
      由于活性碳的碳原子，在結(jié)構(gòu)上排列相當(dāng)紛亂，如果我們將它的結(jié)構(gòu)碎裂，用顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)它的內(nèi)部到處充滿縱橫交錯的細(xì)孔，這些細(xì)孔的尺寸，可以小到分子級大?。╩olecular dimensions，約0.1 nm直徑），因此它是一種多孔碳，堆積密度低，比表面積（specific surface area）大。
　　活性碳的多孔隙結(jié)構(gòu)，讓它具有很大的「比表面積」，此種表面積更賦予它具有*強(qiáng)烈的吸附能力，而能廣泛吸附許多化合物。在人類所制造的物質(zhì)中，以活性碳的結(jié)構(gòu)*多孔性，或*有物理吸附作用能力?；钚蕴嫉摹副缺砻娣e」可以超過1000 m2/g，如果依此計算，那么小小的5g重所擁有之表面積，將相當(dāng)于一個足球場那么大。
　　
活性碳的吸附作用
　　
      吸附（adsorption）是指液體或氣體附著集中于固體表面的作用，一般的活性碳都能發(fā)生這種作用。吸附與吸收（absorption）不同，吸收是指讓液體或氣體進(jìn)入固體的內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)中，但活性碳并不具備這樣的能力，它的吸附作用只是一個表面現(xiàn)象，所以只發(fā)生于它的表面。
　　
      吸附作用的形成，主要來自倫敦分散力（london dispersion forces），這也是另一種凡得瓦力（van der waals force）的表現(xiàn)形式。此種力普遍存在于不具有長遠(yuǎn)性偶很矩（dipole moment）的分子之間，它是一種自然的吸引力。只要分子足夠靠近，都會很自然產(chǎn)生這種作用力。凡是能利用此種力把物質(zhì)吸住的作用，我們稱為物理吸附（physical adsorption）。此種作用力與溫度無關(guān)，因此不受溫度之影響。
　　
       倫敦分散力需在碳表面（carbon surface）與被吸附分子（adsorbate molecule）之間達(dá)到作用的距離之后才會發(fā)生，該力的大小涉及被吸附分子中所有相關(guān)原子與活性碳表面碳原子密切接觸的程度。如果接觸的程度越高，則該力越大，同時活性碳對該分子的吸附能力也越強(qiáng)。
　　
氣相及液相吸附：
　　
       活性碳對氣相（gas phase）的吸附作用，除了與其接觸表面積有關(guān)外，也與被吸附化合物的分壓（partial pressure）有關(guān)。當(dāng)分壓高于該化合物的在活性碳表面的蒸氣壓時，該化合物會被逐漸縮合（condensation）在活性碳中，直到達(dá)到壓力平衡為止。反之，如果分壓較低時，一部分該化合物會從活性碳表面脫離，直到達(dá)到新的壓力平衡為止。
　　
       活性碳對液相（liquid phase）的吸附作用與氣相有類似性質(zhì)。它表現(xiàn)在吸附作用方面的能力，與被吸附化合物的溶合力（solvated force）有關(guān)。當(dāng)被吸附化合物的在水中的溶合力小于吸附力（adsorbability）時，它就會被逐漸富集（concentrate）在活性碳中。這也說明，為何「疏水性」化合物在水中很容易被活性碳吸附而除去的主要原因。
　　
       事實上，活性碳對物質(zhì)的吸附能力，完全表現(xiàn)在倫敦分散力與氣相的蒸氣壓力，或與液相的溶合力之間，相互「角力」的結(jié)果。當(dāng)倫敦分散力較大時，即可以表現(xiàn)出對氣體或液體分子的吸附力。由于氣相的蒸氣壓力及液相的溶合力，可因溫度的增加而加強(qiáng)，但倫敦分散力卻不受影響，因此可以利用加熱的方式，讓氣體或液體分子從活性碳表面脫離，這種逆向操作，我們稱之為脫附（deadsorption）。
　　
那些物質(zhì)會被活性炭吸附：
　　
       有那些物質(zhì)會被活性碳吸附呢（what compounds are adsorbed）？從活性碳的吸附原理可知，凡是大分子化合物，特別是一些大分子有機(jī)物在溶劑中是很容易被吸附的；另外，某些大分子量的無機(jī)化合物，像碘化物及汞化物，也能被活性碳吸附。
　　
       一般而言，一定種類及比表面積相同的活性碳之吸附力，隨著以下因素而被強(qiáng)化：（1）化合物分子量增加時，（2）化合物具有高數(shù)目像雙鍵（double bonds）一類的官能基（functional groups），或高鹵化物（halogen compounds）時，（3）化合物分子的電子云（electron clouds）易形成瞬間很性（polarisability）者（注：此性質(zhì)與倫敦分散力的產(chǎn)生有完全關(guān)系）。由于這些因素的影響，導(dǎo)致有些物質(zhì)很容易被活性碳吸附，但有些不會。
　　
       離子性物質(zhì)因具有長遠(yuǎn)性偶很矩（dipole moment），無法形在活性碳表面之間形成倫敦分散力，所以難以被吸附。水草的無機(jī)養(yǎng)分幾乎都是離子性物質(zhì)，所以在水草缸使用活性碳，無機(jī)養(yǎng)分應(yīng)該不受活性碳吸附作用之影響。
　　
活性炭化學(xué)性吸附：
　　
       化學(xué)吸附（chemical adsorption）是指氣體或液體以類似于化學(xué)鍵之結(jié)合力，被吸附于活性碳表面的現(xiàn)象。此種吸附力之形成，可能是氣體或液體分子內(nèi)的鍵裂開，或其雙鍵裂解，并與活性碳表層之碳原子產(chǎn)生新鍵之故。因此，具有選擇性，且吸附作用僅限于表層。不過，關(guān)于它的反應(yīng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)在還有許多不清楚的地方。
　　
       并非所有的活性碳都具有化學(xué)吸附能力，如果要使它具有此種吸附能力，需進(jìn)一步作「活化處理」，藉以清除活性碳中的雜質(zhì)，這樣才能防止雜質(zhì)干擾活性碳表面的碳原子與被吸附分子之間化學(xué)鍵的形成。這也是衡量活性碳吸附特性的種要指標(biāo)之一。凡具有化學(xué)吸附性質(zhì)的活性碳稱為「化學(xué)活性碳」。一般水族館所販賣者，通常不屬于這一種。
　　
   化學(xué)吸附也能類似于物理吸附一般，具有脫附的性質(zhì)。如果被吸附物質(zhì)的脫附力（deadsorbability）大于其間的化學(xué)鍵力（bond forces），即能重新被釋放出來。與物理脫附相似，在高溫之下，脫附力可能大于化學(xué)鍵力而達(dá)到脫附之目的。不過不同于物理脫附者，被吸附的物質(zhì)脫附之后，已經(jīng)產(chǎn)生了化學(xué)變化，不再是原來的物質(zhì)了。
　　
活性炭再生過程：
　　
            活性碳的脫附過程，我們稱為再生（regenerated）。當(dāng)活性碳的脫附作用的吸附性減弱后，可以讓它「再生」后而能再繼續(xù)使用。由于物理吸附與化學(xué)吸附的平均焓（enthalpy）皆為負(fù)值（-δh），屬于放熱反應(yīng)，因此再生通常不會在自然的情況下自動發(fā)生，需將活性碳單獨取出另外做適當(dāng)?shù)奶幚怼?nbsp;
　　
          活性碳再生時，一般使用水蒸氣脫附再生。若僅針對物理吸附之再生，大約使用200-300℃之高壓水蒸氣在再生爐中加熱處理即可。由于化學(xué)吸附所產(chǎn)生的作用力，比物理吸附強(qiáng)，所以它所需脫附再生的溫度要高許多，例如，在操作時，它所需的高壓水蒸氣約至少高達(dá)400 ℃才能達(dá)到目的。在進(jìn)行化學(xué)脫附的同時，也一并會進(jìn)行物理脫附。
　　
       活性碳再生是一種技術(shù)性的操作，同時需在專門的設(shè)備中才能進(jìn)行，所以我們似乎只需了解其原理即可，沒有必要真的嘗試去做。如果活性碳的吸附性已經(jīng)喪失，建議淘汰，若還有需要使用，*還是重新選購較為適當(dāng)。

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