活性炭各种类型的孔隙在吸附过程中的作用

活性炭各种类型的孔隙在吸附过程中的作用

活性炭的孔隙大小是不均匀的多分散体系，一般可分为三种类型的孔，即大孔、过渡孔和微孔。了解每一种孔在吸附过程中的作用是非常重要的，它对活性炭的制造工艺研究、活性炭的应用研究和活性炭的静态和动态吸附理论研究都将起到指导作用。也可以说研究活性炭（包括其他吸附剂）的各类孔隙在吸附过程中的作用，就是研究活性炭的最核心问题。那么，在研究活性炭各种类型孔隙在吸附过程中的作用之前，首先我们应该搞清楚下列几个问题：

1.活性炭的孔隙结构状况

活性炭是多孔性的含碳吸附剂，在每粒活性炭中，都包含有大小不同的孔，这些孔是怎样分布的，有没有一定的规律性。在这里我们可以形象地比喻活性炭中的孔隙分布好似一棵大树，过渡孔是大孔的分枝，微孔是过渡孔的分枝。微孔的出口开于大孔和颗粒外表面的总分数，与微孔的出口开于过渡孔表面的分数相比，所占比例是非常小，甚至可以忽略不计。下面举一例来说明这个问题。对一般常用活性炭来讲，各类孔隙的比表面积和外表面积为：

大孔比表面积 0.5~2m ²/g

过渡孔比表面积 20~70m ²/g

微孔比表面积 800~1000m ²/g

而其外表面积也很小，我们可以用下列公式来进行计算： dp p p n n S 63)3(44==⋅••=γπγπγ

式中 n 一颗粒个数

P 一固体的密度，m/cm ³.

设直径为1.5m

m 的球形颗粒活性炭，固体密度为0.5g/cm ³,求它的外表面积：

01.0008.015.015.066==⨯==dp S 从对活性炭的外表面积计算的结果来看，活性炭外表面积比起过渡孔和微孔的比

表面积，更是微不足道的，即使加上大孔的比表面积，也是可以忽略的。由此可见活性炭的孔隙结构确实成树枝结构体系。

2.关于活性炭各种孔隙类型的名称

目前活性炭的各种类型孔隙名称，叫法很混乱，各种称谓都有。为了在应用中不发生错误，在这里将它们归纳一下，供大家参考：

微型孔，简称微孔，又叫吸附孔，小孔；

过渡型孔，简称过渡孔，又称中孔，毛细孔以及输送孔；

大型孔，简称大孔，又叫输送孔。

为什么孔隙的称谓如此复杂呢？主要是因为各种类型的孔隙在吸附过程中和吸着过程中的功能不一样，作用不一样，人们从不同的角度上去理解它，因此就出现各种不同的称谓。

3.活性炭各类孔隙容积的合适比例

活性炭（包括其他吸附剂）各类孔隙容积的合适比例是一个非常重要的问题，

它直接关系到活性炭的动态吸附性能和使用性能。如果活性炭只有发达的吸附孔容积，没有与之相匹配的输送孔，吸附速率上不去，就不能很好的发挥吸附孔的作用。反之虽有足够的输送孔，但没有足够的吸附孔，吸附性能欠佳，这种活性炭就不是优良吸附剂。对于一种优良的活性炭来讲，它不但要有大的吸附容量，同时也要有较高的吸附速率，这种活性炭才是我们所要求的优良炭吸附剂。所以说，只看静态吸附量大小，是不能断定这种炭是好炭还是较差的炭。对于活性炭而言，它的各类孔隙容积是怎样一个比例才算合适呢？根据杜比宁院士的意见，一般煤制活性炭的孔隙容积分配比例应为：

总孔容积 0.75~0.85cm³/g

大孔容积 0.30~0.35cm³/g

过渡孔容积 0.02~0.10cm³/g

微孔容积 0.35~0.40cm³/g

当然这种比例也不是绝对的，随着活性炭的孔隙发达程度的提高，可作适当的调整。

4.各类孔隙在吸附过程中的作用

（1）大孔

大孔的直径（或宽度）的下限为50nm，上限可达1×105nm,在这样大的曲率半径孔隙的表面上吸附，和在平面上吸附没有两样，即由单分子层到多分子层的吸附。大孔孔容积一般为0.30～0.35cm³/g，比表面积一般为0.5~2m2/g, 如此小的比表面积对吸附贡献甚小，可以忽略不计。但大孔在吸附过程中起输送通道作用。被吸附的分子只有通过大孔，才能进入中孔，经过中孔，才能进入微孔而被吸附。因此大孔又被称为输送孔。这里还要着重指出，在有机蒸气吸附过程中，甚至于吸附已饱和的状态下，大孔容积也不能被充填。

（2）过渡孔

在吸附过程中，被吸附的有机蒸汽分子是经过大孔、中孔，扩散到微孔中，被微孔吸附，进入活性炭的颗粒内部。因此大孔和过渡孔均称为输送孔，不过过渡孔起着更细一级的输送作用。当微孔吸附达到饱和时，过渡孔孔壁上已经形成吸附膜，在吸附膜的自由空间内，被吸附的有机蒸气形成弯月面，这时毛细凝聚开始，在此情况下有时又将过渡孔称为毛细孔。另外我们更应该清楚地知道，过度孔不仅仅是起输送作用，它的比表面也是添加催化剂的主要场所。所以说活性炭是吸附剂，又是优良的催化剂载体。

（3）微孔

活性炭的比表面积90%以上是由微孔提供的，对气体或蒸气的吸附也主要靠这种孔，正因为这样，又把微孔称为吸附孔。气体或蒸汽在微孔中的吸附不同于在大孔、过渡孔或无孔吸附剂表面上的吸附。其主要特点是在微孔的整个容积中存在着吸附力场的叠加，或称为场的叠加效应。被吸附的蒸气分子进入微孔后，将受到孔周壁吸附力的同时作用，所受到的合力远大于吸附剂的其他孔表面对蒸气分子的吸引力。至于这个分子吸附到哪一个位置上，就看哪里的力场最强而定。气体或蒸气分子在微孔中吸附，不是首先在孔壁上形成吸附层，而是被吸附的蒸气分子在微孔中充填。原因是这种孔的大小和被吸附的蒸气分子，同属于一个数量级。因此，杜比宁认为，对于微孔吸附而言，微孔的比表面积已失去它的物理意义。同时杜比宁在研究活性炭对蒸气吸附时还发现，被吸附蒸气的体积远远超过活性炭微孔的容积所容纳的体积，这是因为蒸气分子在吸附力的作用下缩短了分子间的距离，而被压缩成液态所致。