活性炭的孔隙結構

1、孔隙結構的形態

活性炭的孔隙是由于在活化過程中，無定形炭的基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無序炭（有時也從基本微晶的石墨層中除去部分碳）之后產生的孔隙，因制備活性炭的原料、炭化及活化的過程和方法等不同，所以形成的孔隙形狀、大小和分布等也不同。1960年杜比寧把活性炭的孔分為大孔（孔徑大于50nm）、中孔（或稱過渡孔，孔徑在2-50nm之間）和微孔（孔徑小于2nm）三類，這個方案已被國際純化學和應用化學學會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC） 所接受。在活性炭中，這三類大小不同的孔隙是互通的，呈樹狀結構，如圖1-3所示。

通過高分辨透射電子顯微鏡的研究表明，活性炭中的微孔是活性炭微晶結構中彎曲和變形的芳環層或帶之間的具有分子尺寸大小的間隙。使用不同的方法研究發現：有些孔隙具有縮小的入口（瓶狀孔），有些是兩端敞開的毛細管孔或一端封閉的毛細管孔，還有一些是兩平面之間或多或少比較規則的狹縫狀孔、Ⅴ形孔等。

杜比寧分類中大孔的內表面能發生多層吸附，但在活性炭中，由于它的比例很少，所以大部分只起著作為被吸附質分子進入吸附部位的通道作用，但它作為支配吸附速度的因素，在實際應用中也是很重要的。過渡孔的作用不是單純的，在很多情況下和大孔相同，也是作為吸附質的通路從而支配吸附質速度，同時，對于不能進入微孔的大分子也起著吸附部位的作用。活性炭的吸附作用大部分是由微孔進行，吸附量受微孔支配。微孔的生成，對應于微量的重量損失就能行成非常大的比表面積。

2、孔容積計算

在活性炭中，隨著活化的進行，細孔容積增加。可以認為，細孔的發達決定了細孔容積的增加。如果確定了比表面積（S）和細孔容積（V），并假設細孔形狀為圓筒形，可用下式計算細孔半徑（r）：

r=2V/S

如果細孔的形狀是由平行平面組成的裂縫狀，上式中的細孔半徑就相當于平面間隔，若假定細孔為獨立的球狀，則上式為：

r=3V/S

3、孔徑分布的確定

若要具體了解活性炭的細孔結構，孔徑分布測定是較好的手段。通常活性炭吸附性能的一半，可以用孔徑分布來表示。通常，測定孔徑分布的方法有電子顯微鏡法、分子篩法、壓汞法、毛細管凝結法、X射線小角散射法等。常用的壓汞法利用了汞不潤濕活性炭細孔壁，所以要把它壓入細孔中就需要壓力的這一原理，則下式成立：

rp=-2γcosθ

式中，r為圓筒形細孔半徑；p為加在汞上的壓力；θ為汞的接觸角；γ為汞的表面張力。

在壓力p下，汞應該進入半徑在r上的所有細孔中，所以可以測定由于壓力的增加而進入的汞量，由此測定各個孔徑大小，進而確定孔徑分布。