活性炭的化学性质与功能
2018-01-29 16:51:13   来源:

1 化学性质

( 1)元素组成

① 挥发分及灰分

对于活性炭及其原料炭化物中所含有的挥发分数量的测定,通常采用的方法是将试样放在坩埚,避免与空气接触,在 900 ℃ 下加热 7 min,求出加热减量对试样的质量百分率,并从该百分率中减去同时进行测定得到的水分值(干燥减量)以后,便得到试样的挥发分含量。灰分(强热残分)的测定方法是将干燥过的试样放在瓷坩埚中,在温度调节至 800~900 ℃ 的高温电炉中灰化,残留物质的质量百分率作为灰分。固定碳是以干燥试样作为 100 %,减去灰分与挥发分所得到的数值。

通常的活性炭由于是在温度为 900 ℃ 以上制得的,所以挥发分很少。另一方面,原料炭化物的挥发分受炭化温度的影响很大。研究表明,炭化温度升高,挥发分含量减少;炭化反应在 500 ℃ 以下剧烈进行,在 600~700 ℃ 基本结束。固定碳含量的变化基本上与挥发分相对应,在炭化反应结束的 700 ℃ 以上基本不会再增加。灰分随炭化得率的降低而增加。灰分是活性炭原料选择方面的一个重要指标。原料中的无机成分和金属在炭化过程中几乎不减少而最后残留于炭产物中。原料中的灰分含量即使只有 1 %,活性炭的灰分含量将达到 10 %以上。由于灰分不具有吸附能力,因此该单位重量的活性炭吸附能力要比灰分含量为零的活性炭的吸附能力下降 10 %左右。所以在活性炭的选择过程中,尽量要求其灰分含量最低。

② 元素分析

活性炭的元素组成通常可通过元素分析仪进行测定。活性炭的元素组成 90 %以上是碳,这就很大程度上决定活性炭是疏水性吸附剂。氧元素的含量一般为百分之几,其一部分存在于灰分中, 另一部分在碳的表面以羧基、羟基、内酯基等表面官能团形式存在。

因此,这部分氧元素使活性炭具有一定亲水性,而并非是完全的疏水性。因其亲水性的存在,使得其能够将孔隙内的空气置换为水,进而吸附溶解于水中的有机物,使活性炭用于水处理成为可能。

氮与硫的含量,在植物类原料的场合通常非常少。原料中含有的蛋白质以及硫化物,在炭化及活化过程中,大部分会挥发掉,有时会有微量的残留。残存的微量氮原子,有时会提高活性炭的催化性能。

活性炭中的灰分含量,由于原料和制备过程的不同,而有显著的差异。一般木质类活性炭灰分的含量较少(一般<5%)。当原料灰分含量较大时,需要对原料进行脱灰处理以后再生产活性炭。

③ 有害物质

活性炭中的微量有害杂质必须尽量加以控制。活性炭中存在的最主要的有害杂质是砷。砷存在于自然界,使用煤、椰子壳以及木质类原料时必须注意。土壤中的砷浓度太大,导致原料中的砷浓度也增大,而用这些原料生产的活性炭中砷的浓度就会超标。所以,生产活性炭时对于砷要严格进行控制。同时,对于近期使用各种废弃物为原料生产活性炭,需要先进行检测此原料是否受到重金属的污染。

(2) 表面氧化物

① 表面官能团

碳是炭材料主要的成分,是非极性的,呈现疏水性。但由于生产过程的不同和使用的环境的差异,会使炭材料的表面性质发生变化。炭材料容易被氧化剂比如氧气、硝酸等氧化而产生表面官能团。这些官能团的生成会使炭材料的界面化学性质产生多样性。通过有机化学的方法可以测定炭材料中的官能团。一般认为,炭材料中的官能团主要有羧基、内酯型羧基、酚羟基和羰基。

图 1活性炭表面含氧官能团

活性炭表面还有可能还有含氮官能团,其主要来源是制备活性炭使用的含氮原料以及制备工艺过程中的含氮化学试剂。经测定,目前含氮官能团主要有以下几种:

图2 活性炭表面含氮官能团

 

② 含氧官能团的测定方法

准确测定称量瓶质量( W1),然后准确称量 0.1 g 试样于称量瓶中,于 110 ℃ 下真空干燥 2 h,测定质量( W2)。将试样放入 100 mL 锥形瓶,加入 50 mL 0.1 mol/L 的 NaOH水溶液, 25 ℃ 下于振荡器中振荡 48 h,同时做空白试验。过滤并取滤液 20 mL,以甲基橙为指示剂, 采用 0.1 mol/L 的 HCl 溶液进行滴定。表面表面官能团含量可经下式计算:

式中, Tb 为空白试验中 0.1 mol/L HCl 溶液的体积, mL; T-0.1 mol/L HCl 溶液的体积, mL;W-试样的质量( W2-W1), g; f-0.1 mol/L HCl 溶液的修正系数。

用 0.05 mol/L Na2CO3 溶液、 0.1 mol/L NaHCO3 溶液重复上述步骤,并求得表面酸性官能团数量,做差额运算可得出羧基、弱酸、酚羟基比例。

目前, Boehm 滴定法是目前最简便常用的活性炭表面化学分析方法。该滴定法由Boehm H. P. 提出, 主要是根据不同的碱与不同表面含氧官能团的反应进行定性与定量分析。根据碱的消耗量计算相应含氧官能团的含量。通常认为 NaHCO3 中和羧基, Na2CO3中和羧基与内酯基, NaOH 中和羧基、内酯基与酚羟基, C2H5ONa 中和羧基、内酯基、酚羟基与羰基。

2 功能

活性炭的吸附特性与其表面性质有很大的关联,而活性炭的表面性质主要是由其表面存在的化学官能团、杂原子以及化合物所决定,不同的表面化学性质与吸附质有明显的吸附差别。因此,研究活性炭的表面官能团,对其开发使用功能有很大的帮助。

活性炭由于其疏水性和非极性,所以在水溶液中选择性的吸附非极性有机物质,不吸附极性溶质。利用这一性质,通过表面官能团的改性来改善其吸附特性。研究表明,活性炭的含氧官能团中酸性基团易吸收极性的化合物,碱性基团则易吸附极性弱或者是非极性的物质。增加其官能团的极性,可以增强其对极性物质的吸附性能;增加其表面的非极性,则可以增强对非极性物质的吸附性能。所以通过改变活性炭的表面化学性质,使其有更强大、更全面的吸附功能。

 

 

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