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活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)

（1）活性炭的表面官能團(tuán)在制備活性炭的活化反應(yīng)中，微孔進(jìn)一步擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉， 化學(xué)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷或不完整，此外由于灰分及其他雜原子的存在， 使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧和其他雜原子吸附于這些缺陷上與層面和邊緣上的碳反應(yīng)形成各種鍵，以至形成各種表面功能基團(tuán)，因而使活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附特性。對(duì)活性炭吸附性質(zhì)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)。

低的活性炭表面表現(xiàn)出堿性特征以及陰離子交換特征。除了含甎棊團(tuán)外，含氮官能團(tuán)也對(duì)活性炭的性能產(chǎn)生顯著影響。活性炭表面的
含無(wú)官能團(tuán)主要取決于活性炭的制備方式。活性炭表面的氮原子可
以通過(guò)活性炭與含氮試劑反應(yīng)和用含氮原料制備?種方式引人。活
性炭表面可能存在的幾種含氮官能團(tuán)如圖所示1。 '
(2)活性炭表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析表征活性炭上的主要雜原子為氧原子，最常見(jiàn)的官能團(tuán)為羧基、內(nèi)酯基、羥基和酚羥基。這些基團(tuán)使活性炭在水中呈兩性。利用這種酸堿特性可以測(cè)定出表面的含氧基團(tuán).
①Boehm滴定法[15，16，19]它根據(jù)不同強(qiáng)度的堿與酸性表面氧化基團(tuán)反應(yīng)的可能性對(duì)含氧官能團(tuán)進(jìn)行定性與定量分析。一般認(rèn)為NaHCa(pK=6.37)僅中和炭表面的羧基，Na2C03 (pK= 10. 25) 可中和炭表面的羧基和內(nèi)酯基，而NaOH(pi( = 15. 74)可中和炭表面的羧基、內(nèi)酯基和酚羥基。根據(jù)滅消耗量的不同，可計(jì)算出相應(yīng)的官能團(tuán)的量，
②零電荷點(diǎn)PZCW，is]水溶液中固體表面凈電荷為零時(shí)的pH值，稱(chēng)為零電荷點(diǎn)PZC (point of zero charge), PZC為表征活性炭表面酸?性的一個(gè)重要參數(shù)。而IEP為水溶液中固體表面電勢(shì)C為零時(shí)的pH值，稱(chēng)為等電點(diǎn)（isoelectric point)。如果不存在除H+、 OH—之外的吸附離子，則pHpzc-pH!^如果發(fā)生非電勢(shì)決定離子的特殊吸附，則二者向相反的方向偏移。PZC與活性炭酸性表面氧化物特別是羧基有著密切關(guān)系，它與Boehm滴定存在著很好的相關(guān)關(guān)系。IEP—般通過(guò)電泳法測(cè)定。有研究認(rèn)為通過(guò)電泳法測(cè)得的IEP為活性炭的外表面特征，由于0H-和H+比活性炭的微孔要小。因此，通過(guò)滴定法測(cè)定出的PZC，對(duì)應(yīng)的是活性炭的全部表面或絕大部分表面特征。 '
③ X射線(xiàn)光電子能譜XPSO'21]    XPS (X-ray photoelectrof
spectroscopy)是一種有效的監(jiān)測(cè)表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析手段，采用Gaussion/Lorentizian函數(shù)所得譜圖進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，該技術(shù)依據(jù)愛(ài)
因斯坦的光電效應(yīng)來(lái)測(cè)定表面元素的原子的價(jià)電子或內(nèi)層電子的結(jié)合能。原子被髙能X射線(xiàn)轟擊，能發(fā)射出的光電子其平均逃逸深度為0.5?2nm，故只能探測(cè)位于表面的物種。其主要用途是用于
測(cè)定由表面元素引起發(fā)射光電子的結(jié)合能發(fā)生位移的化學(xué)環(huán)境的變化。通過(guò)對(duì)特定原子（如C， N, 0)的鍵能進(jìn)行掃描不僅可以定
量測(cè)定樣品表面的元素組成，而且可以分析元素的結(jié)合形式。
④ 傅里葉變換紅外光譜法FT-IR[7.20]  紅外光譜可以測(cè)知分子的轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)和振動(dòng)態(tài)，從而可以得出關(guān)于被吸酎物質(zhì)中心及被吸附物質(zhì)與表面之間鍵合的性質(zhì)。由于活性炭為黑色，對(duì)紅外輻射吸收強(qiáng)，同時(shí)表面不均勻的物理結(jié)構(gòu)又加大了紅外光的散射，而且極易被"背景"吸收，因此，一般認(rèn)為只要碳含量大于94%就不適合于采取紅外光譜分析。而傅里葉變換紅外技術(shù)（Fourier transformjiifeared spectroscopy, FT-IR)，由于采取了干涉光裝置，來(lái)自全光譜的輻射在整個(gè)掃描期間始終照射在檢測(cè)器上，使光通量增大， 分辨率提髙。FT-1R偏振性較小，可以累加多次，快速掃描后進(jìn)行記錄。已成為活性炭表面官能團(tuán)定性分析的有力工具。
⑤ 熱重分析根據(jù)不同官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性不同，在惰性氣體中熱分解，得到樣品失重的微分曲線(xiàn)和積分曲線(xiàn)。失重曲線(xiàn)可間接反映出活性炭的表面結(jié)構(gòu)尤其是表面官能團(tuán)種類(lèi)。

活性炭吸附理論

1.活性炭表面的吸附作用按吸附作用力性質(zhì)的不同可將活性炭表面的吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。發(fā)生物理吸附主要是因分子間作用力范德瓦爾斯力的作用，這種引力是由分子或原子中電子的瞬間不對(duì)稱(chēng)偶極（激發(fā)偶極）產(chǎn)生的。在該吸附過(guò)程中被吸附分子和吸附劑表面組成都不會(huì)改變。而化學(xué)吸附時(shí)吸附分子和吸附劑表面間有某種化學(xué)作用，即它們之閬有電子的交換、轉(zhuǎn)移或共有，從而可導(dǎo)致原子的重排、化學(xué)鍵的形成或破壞。化學(xué)吸附一般發(fā)生在像邊緣不飽和碳原子等活性位上，于是存在固定的吸附位，而且被吸附分子不能沿表面移動(dòng)，物理吸附通常進(jìn)行得很快，并且是可逆的，被吸附的氣體在一定條件下，在不改變氣體和固體表面性質(zhì)的狀況下定量脫附。

活性炭物理吸附是放熱過(guò)程，其吸附熱與氣體的液化熱接近。氣體的物理吸附與氣體液化過(guò)程相似，故只有在臨界溫度以下才能發(fā)生，且通常在較低的溫度（如吸阱質(zhì)氣體的沸點(diǎn)附近）時(shí)可顯著進(jìn)行。化學(xué)吸附常是不可逆的，所以解析困難，并常伴有化學(xué)變化的產(chǎn)物析出，化學(xué)吸酎的吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近，大多仍為放熱過(guò)程。化學(xué)吸附速度與化學(xué)反應(yīng)類(lèi)似，霱要活化能的化學(xué)吸附常需在較高溫度下才能以較快的速度進(jìn)行。