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一、化學(xué)性質(zhì)

1.元素組成

（1）工業(yè)分析

對(duì)于活性炭及其原料炭化物中所含有的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量的測(cè)定，通常采用的方法是將試樣放在鉑金坩堝，避免與空氣接觸，在900℃下加熱7min， 求出加熱減量對(duì)試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并從該分?jǐn)?shù)中減去同時(shí)進(jìn)行測(cè)定得到的水分值（干燥減量）以后，便得到試樣的揮發(fā)分含量。灰分（強(qiáng)熱殘分）的測(cè)定方法是將干燥過(guò)的試樣放在瓷坩堝中，在溫度調(diào)節(jié)至800-900℃的高溫電爐中灰化，殘留物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為灰分。固定炭是以干燥試樣作為100%，減去灰分與揮發(fā)分所得到的數(shù)值。

通常物理法生產(chǎn)的活性炭，由于是在溫度為900℃以上制得的，揮發(fā)分很少；而化學(xué)法活性炭，其活化溫度一般是在500℃以下，所以揮發(fā)分含量較高。活性炭原料炭化物的揮發(fā)分受炭化溫度的影響很大。實(shí)驗(yàn)表明，溫度上升，揮發(fā)分含量減少；炭化反應(yīng)在500℃以下劇烈進(jìn)行，在600-700℃基本結(jié)束。固定碳含量的變化基本上與揮發(fā)分相對(duì)應(yīng)，在炭化反應(yīng)結(jié)束的700℃以上基本不會(huì)再增加。

灰分是活性炭原料選擇方面的一個(gè)重要指標(biāo)。原料中的無(wú)機(jī)成分在炭化過(guò)程中幾乎不減少而殘留于木炭中。原料中的灰分含量即使只有1%，活性炭的灰分含量也可能達(dá)到10%，甚至更高。由于灰分不具有吸附能力，因此活性炭吸附能力與其灰分含量成反比，即活性炭灰分含量越高，其吸附能力相對(duì)越低。所以在活性炭的選擇過(guò)程中，盡量選擇其灰分含量低的產(chǎn)品。

（2）元素分析

活性炭的元素組成通?？赏ㄟ^(guò)元素分析裝置進(jìn)行測(cè)定（見(jiàn)表1-6）?；钚蕴康脑亟M成90%以上是碳，這就很大程度上決定活性炭是疏水性吸附劑。氧元素的含量一般為百分之幾，其一部分存在于灰分中，另一部分在碳的表面以羧基之類(lèi)的表面官能團(tuán)形式存在。由于這部分氧元素的存在，使活性炭具有一定的親水性，而并非是完全的疏水性。因其親水性的存在，使得其能夠?qū)⒖紫秲?nèi)的空氣置換為水，進(jìn)而吸附溶解于水中的有機(jī)物，使活性炭用于水處理成為可能。

表1-6幾種活性炭的元素組成

氮與硫的含量，在植物類(lèi)原料的場(chǎng)合通常非常少。原料中含有的蛋白質(zhì)以及硫化物，在炭化及活化過(guò)程中，大部分會(huì)揮發(fā)掉，有時(shí)會(huì)有微量的殘留。殘存的微量氮原子，有時(shí)能夠提高活性炭的催化性能。

活性炭中的灰分含量，由于原料和制備過(guò)程的不同，而有顯著的差異。一般木質(zhì)類(lèi)活性炭灰分的含量較少（一般＜5%）。當(dāng)原料灰分含量較大時(shí)，需要對(duì)原料進(jìn)行脫灰處理以后再生產(chǎn)活性炭。

（3）有害物質(zhì)

活性炭中的微量雜質(zhì)需要盡量加以控制。活性炭中存在的較重要的雜質(zhì)是砷。砷存在于自然界，使用椰子殼以及木質(zhì)類(lèi)原料時(shí)需要注意。土壤中的砷濃度太大，導(dǎo)致原料中的砷濃度也增加，而用這些原料生產(chǎn)的活性炭中砷的濃度就會(huì)超標(biāo)。所以，生產(chǎn)活性炭時(shí)對(duì)于砷要嚴(yán)格地進(jìn)行控制。同時(shí)，對(duì)于使用各種廢棄物為原料生產(chǎn)活性炭，需要先進(jìn)行檢測(cè)此原料是否受到重金屬的污染。

2.表面氧化物

（1）表面官能團(tuán)

炭材料的主要成分是碳，其本身是沒(méi)有極性的，呈疏水性。但是，隨著生產(chǎn)過(guò)程以及使用環(huán)境的不同，炭材料表面性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。炭材料表面易被氧氣、水等氧化劑氧化，從而或多或少地生成了表面官能團(tuán)。這些官能團(tuán)的生成會(huì)使炭材料的界面化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生多樣性。

通過(guò)有機(jī)化學(xué)的方法可以測(cè)定炭材料中的官能團(tuán)。一般認(rèn)為，炭材料中的官能團(tuán)主要有羧基、內(nèi)酯型羧基、酚羥基和羰基，如圖1-4所示。

活性炭表面還有可能還有含氮官能團(tuán)。它一般來(lái)源于利用含氮原料的制備工藝過(guò)程和活性炭與人為引入的含氮試劑的化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)測(cè)定，目前含氮官能團(tuán)主要有五種，如圖1-5所示。

（2）含氧官能團(tuán)的測(cè)定方法

在稱(chēng)量瓶中加入試樣約0.1g，在110℃下真空干燥2h以后，測(cè)定其質(zhì)量（Wa）。將試樣放入100mL錐形瓶中，測(cè)定空稱(chēng)量瓶的質(zhì)量（Wb）。在該錐形瓶中加入50mL濃度為0.1mol/L的氫氧化鈉水溶液，于25℃下振蕩48h，同時(shí)進(jìn)行僅有50mL濃度為0.1mol/L的氫氧化鈉的空白試驗(yàn)。此后，過(guò)濾并且取濾液20mL，加入幾滴甲基橙指示劑，用濃度為0.1mol/L的鹽酸水溶液進(jìn)行滴定。表面官能團(tuán)的含量可由下式計(jì)算：

表面官能團(tuán)量（mmol/g）=0.1f（Tb-T）×50/20/W

式中， Tb為空白試驗(yàn)中，0.1mol/L的鹽酸水溶液的滴定量，mL；T為0.1mol/L的鹽酸水溶液的滴定量，mL；W為試樣質(zhì)量（Wa-Wb），g；f為0.1mol/L鹽酸水溶液的修正系數(shù)。

同樣， 用0.05mol/L的碳酸水溶液、0.1mol/L的碳酸氫鈉水溶液滴定，用上式也可求得表面酸性官能團(tuán)數(shù)量。從它們的差額可以計(jì)算出羧基、弱酸、酚羥基的比例。

目前， 對(duì)于含氧官能團(tuán)的表征還可以用Boehm滴定法。Boehm滴定法是由H.P.Boehm提出的對(duì)活性炭含氧官能團(tuán)的分析方法， 根據(jù)不同強(qiáng)度的堿與不同的表面含氧官能團(tuán)反應(yīng)進(jìn)行定性與定量分析。一般認(rèn)為碳酸氫鈉中和羧基，碳酸鈉中和羧基與內(nèi)酯基，氫氧化鈉中和羧基、內(nèi)酯基和酚羥基，乙醇鈉中和羧基、內(nèi)酯基、酚羥基和羰基。根據(jù)消耗堿的量可以計(jì)算出相應(yīng)含氧官能團(tuán)的含量。Boehm滴定法是目前較簡(jiǎn)便常用的活性炭表面化學(xué)分析方法。

二、功能

由于表面存在化學(xué)官能團(tuán)、表面雜原子以及化合物，這些決定了活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)，而表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)于活性炭的吸附性能起到很重要的影響。不同的表面官能團(tuán)、雜原子、化合物對(duì)不同的吸附質(zhì)有明顯的吸附差別，所以研究活性炭的表面官能團(tuán)，對(duì)其使用功能有很大的幫助。

活性炭屬于非極性吸附劑，由于它的疏水性，在水溶液中只能吸附各種非極性有機(jī)物質(zhì)，但是不具有吸附極性溶質(zhì)的功能。通過(guò)表面官能團(tuán)的引入和改性，使其具有更豐富的吸附特性。一般來(lái)說(shuō)，活性炭表面含氧官能團(tuán)中酸性化合物容易吸收極性化合物，而堿性化合物則易吸附極性較弱或非極性物質(zhì)。

通過(guò)表面官能團(tuán)的改性，改變其對(duì)吸附質(zhì)的吸附性能，增加其表面官能團(tuán)的極性，可以增加其對(duì)極性物質(zhì)的吸附能力。相應(yīng)地增加活性炭表面的非極性，其對(duì)非極性物質(zhì)的吸附能力也得到增加。所以通過(guò)改變活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)，可以使其具有更強(qiáng)大的吸附功能。