活性炭吸附和脫附原理

活性炭吸附和脫附原理一、活性炭的分類1、 按活性炭的形狀分類形狀特征粉狀活性炭除了以木屑等為原料生產(chǎn)的粉狀活性炭以外，還包括顆?；钚蕴康姆刍a(chǎn)物等顆粒活性炭從形狀上可分為破碎狀、圓柱狀、球狀、中空微球狀等幾種破碎狀炭椰殼活性炭、煤質(zhì)活性炭屬于此類?；钚蕴康耐獗砻嬉蚱扑槎哂欣饨乔蛐翁坑袑⑻炕镒鞒汕蛐我院笤倩罨耙郧蛐螛渲瑸樵仙a(chǎn)的活性炭兩種纖維狀活性炭以纖維狀的物質(zhì)為原料制成的活性炭。有絲狀、布狀及氈狀幾種2、 按活性炭的制造方法分類活化方法活化劑化學(xué)藥品活化法活性炭氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉等化學(xué)藥品強堿活化法活性炭氫氧化鉀、氫氧化鈉等氣體活化法活性炭水蒸氣、二氧化碳、空氣等水蒸氣活化法活性炭水蒸氣3、 按活性炭的機能分類活性炭機能高比表面積活性炭比表面積為2500m2/g以上的高比表面積活性炭，用強堿活化法制造分子篩活性炭孔徑非常小，用于分離氣體添載活性炭在活性炭上添載上金屬鹽之類各種化學(xué)藥品，用于脫臭、觸媒等場合生物活性炭水處理的方法之一。使活性炭表面形成微生物膜，通過微生物的分解作用進行凈化。與臭氧處理配合，用于凈水的高度處理二、活性炭吸附原理活性炭的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。1、 物理吸附主要發(fā)生在活性炭去除液相和氣相中雜質(zhì)的過程中。活性炭的多孔結(jié)構(gòu)提供了大量的表面積，從而使其非常容易達到吸收收集雜質(zhì)的目的。其中起主要作用的是分子之間相互吸附作用力，也叫〃范德瓦引力”。雖然分子運動速度受溫度和材質(zhì)等原因的影響，但它在微環(huán)境下始終是不停運動的。由于分子之間擁有相互吸引的作用力，當一個分子被活性炭內(nèi)孔捕捉進入到活性炭內(nèi)孔隙中后，由于分子之間相互吸引的原因，會導(dǎo)致更多的分子不斷被吸引，直到添滿活性炭內(nèi)孔隙為止。就像磁力一樣，所有的分子之間都具有相互引力（活性炭內(nèi)部的C分子受到四面八方的力，受力均衡；而活性炭表面C分子只受到內(nèi)部的力，受力不平衡，合力指向內(nèi)部，故活性炭有吸附外界分子來平衡內(nèi)部力的趨勢，從而附近的分子在活性炭表面富集）。正因為如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以產(chǎn)生強大的引力，從而達到將介質(zhì)中的雜質(zhì)吸引到孔徑中的目的。必須指出的是，這些被吸附的雜質(zhì)的分子直徑必須是要小于活性炭的孔徑，這樣才可可能保證雜質(zhì)被吸收到孔徑中。這也就是為什么我們通過不斷地改變原材料和活化條件來創(chuàng)造具有不同的孔徑結(jié)構(gòu)的活性炭，從而適用于各種雜質(zhì)吸收的應(yīng)用。2、 化學(xué)吸附除了物理吸附之外，化學(xué)反應(yīng)也經(jīng)常發(fā)生在活性炭的表面?；钚蕴坎粌H含碳，而且在其表面含有少量的化學(xué)結(jié)合、功能團形式的氧和氫，例如羧基、羥基、酚類、內(nèi)脂類、醍類、醚類等。這些表面上含有地氧化物或絡(luò)合物可以與被吸附的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而與被吸附物質(zhì)結(jié)合聚集到活性炭的表面。3、 因此，活性炭的吸附正是上述二種吸附綜合作用的結(jié)果。當活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等時，即單位時間內(nèi)活性炭吸附的數(shù)量等于解吸的數(shù)量時，此時被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度和在活性炭表面的濃度均不再變化，而達到了平衡，則此時的動平衡稱為活性炭吸附平衡，此時被吸附物質(zhì)在溶液中的濃度稱為平衡濃度。三、 活性炭是否可以吸附水分子？首先，活性炭會吸附水分子。活性炭為非極性分子，水為極性分子；極性與非極性分子間存有色散力和誘導(dǎo)力，因而會相互吸附。我們一般不提活性炭對水的吸附，因為在〃三廢”處理中，我們只關(guān)注活性炭對污染物的去除效果。在研究上往往就針對污染物展開。其次，以下對活性炭吸附做幾點說明：1、 活性炭中的C-C鍵是非極性鍵，活性炭分子可看成非極性的；活性炭表面雖然也存在羧基、羥基等極性鍵，但相對于C-C鍵而言少得多。2、 水為極性分子，氣體大部分為非極性分子?！ㄏ嗨葡嗳菰怼边\用到這里的話，可理解為：活性炭對非極性的氣體和非極性雜質(zhì)的吸附作用更強，而對水等極性分子的吸附作用較弱。（活性炭對極性分子的吸附主要通過活性炭表面極性鍵）3、 水溶液中的水分子有個很特殊的性質(zhì)：氫鍵。水分子間通過氫鍵相互結(jié)合，氫鍵的強度非常大；水分子-水分子作用力＞＞活性炭-水分子作用力。4、 活性炭置于水溶液時：水分子之間通過氫鍵相互吸引，使非極性雜質(zhì)分子和活性炭被相對孤立；活性炭通過吸附雜質(zhì)分子來減低表面過剩的自由能。（活性炭內(nèi)部的C分子受到四面八方的力，受力均衡；而活性炭表面C分子只受到內(nèi)部的力，受力不平衡，合力指向內(nèi)部，故活性炭有吸附外界分子來平衡內(nèi)部力的趨勢，從而附近的分子在活性炭表面富集。）四、 活性炭脫附的幾種方法1、升溫脫附物質(zhì)的吸附量是隨溫度的升高而減小的，將吸附劑的溫度升高，可以使已被吸附的組分脫附下來，（溫度升高，分子運動加?。┻@種方法也稱為變溫脫附，整個過程中的溫度是周期變化的。微波脫附是由升溫脫附改進的一種技術(shù)，微波脫附技術(shù)已應(yīng)用于氣體分離、干燥和空氣凈化及廢水處理等方面。在實際工作中，這種方法也是最常用的脫附方法。2、 減壓脫附物質(zhì)的吸附量是隨壓力的升高而升高的，在較高的壓力下吸附，降低壓力或者抽真空，可以使吸附劑再生，這種方法也稱為變壓吸附。此法常常用于氣體脫附。3、 沖洗脫附用不被吸附的氣體（液體）沖洗吸附劑，使被吸附的組分脫附下來。采用這種方法必然產(chǎn)生沖洗劑與被吸附組分混合的問題，需要用別的方法將它們分離，因此這種方法存在多次分離的不便性。4、 置換脫附置換脫附的工作原理是用比被吸附組分的吸附力更強的物質(zhì)將被吸組分置換下來。其后果是吸附劑上又吸附了置換上去的物質(zhì)，必須用別的方法使它們分離。例如，活性炭對Ca2+、C1-有一定的吸附能力，這些離子占據(jù)了吸附活性中心，可對活性炭吸附無機單質(zhì)或有機物產(chǎn)生不利影響。因此，用活性炭吸附待分離溶液中的物質(zhì)后，選用CaCl2作為脫附劑可降低活性炭對吸附質(zhì)的吸附穩(wěn)定性，從而達到降低脫附活化能的目的。5、 磁化脫附由于單分子水的性質(zhì)比簇團中的水分子活潑得多，能充分顯示它的偶極子特性，從而使水的極性增強。預(yù)磁處理能增大水的極性，這就能充分解釋經(jīng)過預(yù)磁處理后活性炭的吸附容量減小的現(xiàn)象。當磁場強度增大時，分離出的單個水分子越多，則阻礙作用就越大，從而吸附容量減小得也就越多?；钚蕴勘旧頌榉菢O性物質(zhì)，活性炭的表面由于活化作用而具有氧化物質(zhì)，且吸附劑是在濕空氣條件下活化而成，它使活性炭的表面氧化物質(zhì)以酸性氧化物占優(yōu)勢，從而使活性炭具有極性，能夠吸附極性較強的物質(zhì)。由于這些帶極性的基團易于吸附帶極性的水，從而阻礙了吸附劑在水溶液中吸附非極性物質(zhì)。這種方法常用于溶液中對吸附質(zhì)的脫附。6、超聲波脫附超聲波（場）是通過產(chǎn)生協(xié)同作用來改變吸附相平衡關(guān)系的，在超聲波（場）作用下的吸附體系中添加第三組分后，體系相平衡關(guān)系朝固相吸附量減少方向移動的程度大于在常規(guī)條件下的吸附體系。根據(jù)超聲波的作用原理推測，可能是因