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活性炭空隙結構的表征
由于活性炭空隙結構的微觀形以及復雜性，對活性炭的空隙結構進行準確的表征非常困難。為了測定活性炭等多孔性物質的比表面積及孔徑分布，人們曾研究多種方法，但每一種方法都有其局限性，很難對所有孔徑進行準確表征。這里介紹壓汞法、分子吸附法
和密度函數(shù)理論等目前公認適合活性炭孔隙結構表征的方法。壓汞法主要用來測定大孔和中孔范圍的孔徑結構。該方法利用
液態(tài)汞在200MPa髙壓下壓入孔體系，所填充的容積是壓力的函
數(shù)[8]，蒸氣凝聚的壓力與孔隙的半徑密切相關。
分子吸附法用來測定微孔，如利用在77K下的羝氣吸附[9]。測定吸附等溫線的方法有重量法和容量法，這些方法都利用了吸附凝聚的密度與其液相密度相一致的胺設[1(M1]。
從氮氣的吸附等溫線求比表面積和孔徑分布。在中孔范圍的解析方面，以開爾文（Kdvin)方程為基礎的BJH法和DH法是有效的。但在微孔范圍中，孔徑大致為氮氣分子的幾倍，處于不能簡單地使用開爾文方程式范圍。在微孔范圍的孔隙填充可以用基于Polanyi勢能理論的Dubinin方程來表達。從Dubinin方程解析可以獲得吸附模式、細孔體積以及吸跗熱等有關信息。依據(jù)特征吸附能E?？梢酝茰y細孔直徑，還可以進一步算出微孔范圍的孔徑?；钚蕴康目紫督Y構可由其孔徑分布表征，所存在的每一種孔隙按照其所占總表面積或孔容的比例貢獻于其總吸附等溫線，亦即吸附等溫線是活性炭內部存在孔隙吸附的總效應或累加。
活性炭的表面化學性質
（1）活性炭的表面官能團在制備活性炭的活化反應中，微孔進一步擴大形成了許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉， 化學結構出現(xiàn)缺陷或不完整，此外由于灰分及其他雜原子的存在， 使活性炭的基本結構產(chǎn)生缺陷和不飽和價，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形成各種鍵，以至形成各種表面功能基團，因而使活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附特性。對活性炭吸附性質產(chǎn)生重要影響的化學基團主要是含氧官能團和含氮官能團。
低的活性炭表面表現(xiàn)出堿性特征以及陰離子交換特征。除了含甎棊團外，含氮官能團也對活性炭的性能產(chǎn)生顯著影響。活性炭表面的
含無官能團主要取決于活性炭的制備方式?；钚蕴勘砻娴牡涌?BR>以通過活性炭與含氮試劑反應和用含氮原料制備?種方式引人。活
性炭表面可能存在的幾種含氮官能團如圖所示1。 '
(2)活性炭表面化學結構的分析表征活性炭上的主要雜原子為氧原子，最常見的官能團為羧基、內酯基、羥基和酚羥基。這些基團使活性炭在水中呈兩性。利用這種酸堿特性可以測定出表面的含氧基團.
①Boehm滴定法[15，16，19]它根據(jù)不同強度的堿與酸性表面氧化基團反應的可能性對含氧官能團進行定性與定量分析。一般認為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酯基，而NaOH(pi( = 15. 74)可中和炭表面的羧基、內酯基和酚羥基。根據(jù)滅消耗量的不同，可計算出相應的官能團的量，
②零電荷點PZCW，is]水溶液中固體表面凈電荷為零時的pH值，稱為零電荷點PZC (point of zero charge), PZC為表征活性炭表面酸?性的一個重要參數(shù)。而IEP為水溶液中固體表面電勢C為零時的pH值，稱為等電點（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系，它與Boehm滴定存在著很好的相關關系。IEP—般通過電泳法測定。有研究認為通過電泳法測得的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，通過滴定法測定出的PZC，對應的是活性炭的全部表面或絕大部分表面特征。 '
③ X射線光電子能譜XPSO'21] XPS (X-ray photoelectrof
spectroscopy)是一種有效的監(jiān)測表面化學結構的分析手段，采用Gaussion/Lorentizian函數(shù)所得譜圖進行曲線擬合，該技術依據(jù)愛
因斯坦的光電效應來測定表面元素的原子的價電子或內層電子的結合能。原子被髙能X射線轟擊，能發(fā)射出的光電子其平均逃逸深度為0.5?2nm，故只能探測位于表面的物種。其主要用途是用于
測定由表面元素引起發(fā)射光電子的結合能發(fā)生位移的化學環(huán)境的變化。通過對特定原子（如C， N, 0)的鍵能進行掃描不僅可以定
量測定樣品表面的元素組成，而且可以分析元素的結合形式。
④ 傅里葉變換紅外光譜法FT-IR[7.20] 紅外光譜可以測知分子的轉動態(tài)和振動態(tài)，從而可以得出關于被吸酎物質中心及被吸附物質與表面之間鍵合的性質。由于活性炭為黑色，對紅外輻射吸收強，同時表面不均勻的物理結構又加大了紅外光的散射，而且極易被"背景"吸收，因此，一般認為只要碳含量大于94%就不適合于采取紅外光譜分析。而傅里葉變換紅外技術（Fourier transbjiifeared spectroscopy, FT-IR)，由于采取了干涉光裝置，來自全光譜的輻射在整個掃描期間始終照射在檢測器上，使光通量增大， 分辨率提髙。FT-1R偏振性較小，可以累加多次，快速掃描后進行記錄。已成為活性炭表面官能團定性分析的有力工具。
⑤ 熱重分析根據(jù)不同官能團的熱穩(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和積分曲線。失重曲線可間接反映出活性炭的表面結構尤其是表面官能團種類。
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的不同可將活性炭表面的吸附分為物理吸附和化學吸附。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稱偶極（激發(fā)偶極）產(chǎn)生的。在該吸附過程中被吸附分子和吸附劑表面組成都不會改變。而化學吸附時吸附分子和吸附劑表面間有某種化學作用，即它們之閬有電子的交換、轉移或共有，從而可導致原子的重排、化學鍵的形成或破壞?；瘜W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，物理吸附通常進行得很快，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的狀況下定量脫附。
活性炭物理吸附是放熱過程，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（如吸阱質氣體的沸點附近）時可顯著進行。化學吸附常是不可逆的，所以解析困難，并常伴有化學變化的產(chǎn)物析出，化學吸酎的吸附熱與化學反應熱相近，大多仍為放熱過程?；瘜W吸附速度與化學反應類似，霱要活化能的化學吸附常需在較高溫度下才能以較快的速度進行。
活性炭物理吸附與化學吸附的一般特點和主要區(qū)別總結在表1-1[22]中。但常有例外情況，如在活性炭吸附的化學吸附中只有較少一部是活化吸附，吸附分子與固體表面形成了表面化學鍵，另有相當一部分是非活化的，是從物理吸附向活化吸附的過渡態(tài)[23]。這時固體表面的吸跗力比范德瓦爾斯力要大一些，但比分子的離解力要弱得多。在微孔固體上物理吸附有時因擴散速度悝而使吸速度很慢.在實際的吸跗過程中，兩類吸附有時會交替進行。如先發(fā)生單層的化學吸阱，而后在化學吸附層上再進行物理吸附[24],因此，欲了解一個吸阱過程的性質，常要根據(jù)多種性質進行綜合判斷。
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