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，因而使活性炭產生了各種各樣的吸附特性。對活性炭吸附性質產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。活性炭表面的氮原子可
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。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)是一種有效的監測表面化學結構的分析手段，采用Gaussion/Lorentizian函數所得譜圖進行曲線擬合，該技術依據愛
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射光電子的結合能發生位移的化學環境的變化。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和振動態，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 transformjiifeared 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 熱重分析根據不同官能團的熱穩定性不同，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（激發偶極）產生的。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。化學吸附一般發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。化學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。