活性炭的最大特性就是它的吸附特性,那么活性炭的吸附原理
是什么呢?今天我們來說說它的吸附機(jī)制。通過物理學(xué)我們知道,吸附現(xiàn)象是兩相界面上物質(zhì)之濃縮過程,當(dāng)氣體或液體分子接近吸附材料表面活性位置時(shí),固體表面分子會(huì)有向內(nèi)拉的現(xiàn)象,于是造成不平衡力,由于彼此間相互吸引,流體中某些物質(zhì)為滿足表面平衡,以降低固體表面張力及自由能,便附著于固體表面,此現(xiàn)象稱之為吸附。進(jìn)行吸附的物質(zhì)稱之為吸附劑,而被吸附的物質(zhì)則稱之為吸附質(zhì)。
活性炭的吸附機(jī)制可依吸附作用力的大小區(qū)分成物理及化學(xué)吸附,物理吸附在發(fā)生時(shí),主要是靠凡得瓦爾力作用,使之附著在吸附劑表面,故又稱凡得瓦爾吸附。吸附能力通常與吸附面積成正比,吸附也不只限于單分子層,其表面可容納許多分子層的吸附,而且為可逆的平衡反應(yīng);瘜W(xué)吸附指吸附質(zhì)與吸附劑間產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng),形成化學(xué)鍵;瘜W(xué)鍵的結(jié)合力遠(yuǎn)比凡得瓦爾力來的大,一般可分為:分解性化學(xué)吸附及非分解性化學(xué)吸附,化學(xué)吸附活化能高,故反應(yīng)速率慢,且僅能單層不可逆吸附,吸附速率隨溫度的不同而改變。
活性炭吸附質(zhì)分子自流體態(tài)傳輸至活性碳孔隙,可需分為七個(gè)步驟:
(1)外部擴(kuò)散(external diffusion):即吸附質(zhì)自溶液分散相傳輸至吸附劑表面時(shí),須通過圍繞活性碳之溶劑膜過程,即吸附質(zhì)分子傳送至吸附劑表面附近。
(2)表面擴(kuò)散(surface diffusion):被吸附之吸附質(zhì)沿吸附劑外表面擴(kuò)散至孔隙內(nèi)部的過程。
(3)顆粒內(nèi)部擴(kuò)散(intragranular diffusion):即吸附質(zhì)傳送至吸附劑孔洞內(nèi)部之吸附位址(site fixation)的過程。
(4)物理性吸附(physical adsorption):吸附質(zhì)與吸附劑接觸后,吸附質(zhì)分子附著于吸附位址上,失去自由度,此時(shí)吸附質(zhì)出口濃度會(huì)降低,且以出口濃度變化的情形,來表示其吸附速率。
(5)脫附(desorption):吸附質(zhì)自活性位置上脫離,重新獲得自由度,即自吸附劑孔隙內(nèi)部之脫出過程,而當(dāng)步驟(4)和(5)之反應(yīng)速率相當(dāng)時(shí),則活性炭-吸附質(zhì)達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。
(6)化學(xué)吸附(chemical adsorption):吸附質(zhì)與吸附劑表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),視吸附質(zhì)與吸附劑之性質(zhì)而有所不同。
(7)表面更新(surface renewal):已被吸附于吸附劑(活性碳)上之吸附質(zhì),其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物,具高度揮發(fā)性,或經(jīng)金屬離子催化而水解,故而自吸附劑上脫除,使吸附劑恢復(fù)吸附能力,而能再次使用。通常外部擴(kuò)散、表面擴(kuò)散及顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的擴(kuò)散速率決定了活性炭的吸附速率,然而在液相流動(dòng)吸附系統(tǒng)中,若流速太慢,則會(huì)造成對(duì)流過慢,使顆粒內(nèi)部擴(kuò)散成為液相吸附速率的控制因素。