活性炭的孔隙结构

1、孔隙结构的形态

活性炭的孔隙是由于在活化过程中，无定形炭的基本微晶之间清除了各种含碳化合物和无序炭（有时也从基本微晶的石墨层中除去部分碳）之后产生的孔隙，因制备活性炭的原料、炭化及活化的过程和方法等不同，所以形成的孔隙形状、大小和分布等也不同。1960年杜比宁把活性炭的孔分为大孔（孔径大于50nm）、中孔（或称过渡孔，孔径在2-50nm之间）和微孔（孔径小于2nm）三类，这个方案已被国际纯化学和应用化学学会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC） 所接受。在活性炭中，这三类大小不同的孔隙是互通的，呈树状结构，如图1-3所示。

通过高分辨透射电子显微镜的研究表明，活性炭中的微孔是活性炭微晶结构中弯曲和变形的芳环层或带之间的具有分子尺寸大小的间隙。使用不同的方法研究发现：有些孔隙具有缩小的入口（瓶状孔），有些是两端敞开的毛细管孔或一端封闭的毛细管孔，还有一些是两平面之间或多或少比较规则的狭缝状孔、Ⅴ形孔等。

杜比宁分类中大孔的内表面能发生多层吸附，但在活性炭中，由于它的比例很少，所以大部分只起着作为被吸附质分子进入吸附部位的通道作用，但它作为支配吸附速度的因素，在实际应用中也是很重要的。过渡孔的作用不是单纯的，在很多情况下和大孔相同，也是作为吸附质的通路从而支配吸附质速度，同时，对于不能进入微孔的大分子也起着吸附部位的作用。活性炭的吸附作用大部分是由微孔进行，吸附量受微孔支配。微孔的生成，对应于微量的重量损失就能行成非常大的比表面积。

2、孔容积计算

在活性炭中，随着活化的进行，细孔容积增加。可以认为，细孔的发达决定了细孔容积的增加。如果确定了比表面积（S）和细孔容积（V），并假设细孔形状为圆筒形，可用下式计算细孔半径（r）：

r=2V/S

如果细孔的形状是由平行平面组成的裂缝状，上式中的细孔半径就相当于平面间隔，若假定细孔为独立的球状，则上式为：

r=3V/S

3、孔径分布的确定

若要具体了解活性炭的细孔结构，孔径分布测定是较好的手段。通常活性炭吸附性能的一半，可以用孔径分布来表示。通常，测定孔径分布的方法有电子显微镜法、分子筛法、压汞法、毛细管凝结法、X射线小角散射法等。常用的压汞法利用了汞不润湿活性炭细孔壁，所以要把它压入细孔中就需要压力的这一原理，则下式成立：

rp=-2γcosθ

式中，r为圆筒形细孔半径；p为加在汞上的压力；θ为汞的接触角；γ为汞的表面张力。

在压力p下，汞应该进入半径在r上的所有细孔中，所以可以测定由于压力的增加而进入的汞量，由此测定各个孔径大小，进而确定孔径分布。