活性炭吸附金机理

活性炭吸附金机理

炭能从气相和液相中吸附、分离、净化某些物质的特性，在古代就已为人类所认识，并应用于生活和生产领域。而炭能从溶液中吸附贵金属的特性，是M·拉佐斯基（Lazowski)1848年提出的。1880年，W.N.Davis用木炭从氯化浸出金的溶液中成功地吸附回收了金，并获得专利。1894年，W.D.Johnston使用活性炭充填的过滤器，将氰化钾浸出金的澄清液流经过滤器提取金、银，然后再熔炼活性炭进行回收。1934年，T.G.Chapman将活性炭直接加入氰化浸出矿浆中成功地吸附回收了金，他为炭浆法的发展迈出了第一步。此种“炭浆法”曾于20世纪40年代应用于美国内华达州的盖特尔矿山，它虽能成功地从矿浆中吸附回收金，但整个工艺证明是不经济的。因为从中回收金必需烧毁和熔炼这些载金炭。1950年，J.B.Zadra 采用硫化钠和氢氧化钠混合液从载金炭上成功地解吸了金，但此法不适于从载金炭上回收银。直到1952年扎德拉等才研究成功用热的氰化钠和氢氧化钠混合液从载金炭上同时解吸金、银，从而奠定了现代炭浆法的基础。

炭浆法或炭浸法提金工艺的核心是活性炭对氰化液中金的吸附作用。活性炭吸附金性能的优劣将直接影响着该工艺对金的回收率。因此，对活性炭理化性能的掌握和选择则是炭浆法提金的关键。

1.活性炭

1)活性炭晶体结构

根据x射线衍射研究证实，活性炭的典型结构与石墨的典型结构近似。活性炭属于无定形碳或微晶形碳，其结构与石墨相类似，是由多环芳香族环组成的层面晶格，见图1。

图2是石墨和活性炭的典型结构示意图。从图中看出，石墨是由联结成六角形的碳原子层组成，各层之间由范德华力（Van der Waals force）维系在约0.335 nm的距离，任何一个平面上的碳原子都处在下面一层六角形中部的上方。而活性炭则不像石墨那样有规则排列，它的六角形碳环有很多已经断裂，其总体结构较紊乱。

微晶形碳的结构比石墨缺乏完整性，在微晶形碳中有两种不同的结构，一种是和石墨类似的二元结构，这种结构网平面平行，形成相等的间隔，而层平面在垂直方向上取向不完全，层与层之间的排列也不规则。这就是所谓的乱层结构，见图3。由具有乱层结构的碳排列成一个单位，称作一个基本结晶，这个基本结晶的大小随炭化温度而变化。基本结晶间的错动便形成孔隙，这是起吸附作用的部位。另一种是由碳六角形不规则交叉连接而成的空间格子

所组成，石墨层平面中有歪斜现象。可以把这种结构看作是由于有像氧那样的不同原子侵入的结果。这种不同原子的存在对活性炭的化学吸附和催化作用有较大影响。

除金刚石之外的碳素物质可分为易石墨化碳素和难石墨化碳素，见图4。图中（a）是软的，（b)是硬的。据认为，易石墨化碳素可能是由乱层结构组成的，而难石墨化碳素可能是由具有交叉连接的晶格结构所构成。基于微晶形炭的软硬差异，可以推断活性炭等微晶形炭存在着两种类型的混合结构。

活性炭基本结晶的大小和长度随原料和活化条件的不同而不同。可分为类似炭黑那样的软结构和类似木炭那样的硬结构。软结构由于结晶是由比较简单的连锁集合而成，容易氧化分解；硬结构是由于结晶互相交叉连锁结合而成，难以氧化。以氯化锌活化的炭，属炭黑式的结构多一些，而以水蒸气活化的炭则以木炭式结构多一些，特别是粒状活性炭更倾向此类结构。

2)活性炭孔隙结构

活性炭的孔隙是由于碳在活化过程中无组织的碳素和碳成分被消耗后，在基本微晶间（非晶部分）留下的空间。活性炭虽由与石墨相似的微小碳晶片组成，但其晶片只有几个碳原子厚，并由一些碳分子构成许多开口孔穴壁。这些开口孔穴直径约在0.8~200nm之间。只要活化方法适当，可以形成非常多的孔隙，其孔隙壁的总面积，即通常所说的表面积一般可达到500~1700 m2/g,这就是活性炭显示出大吸附容量的主要原因。相同表面积的活性炭，其吸附容量相差悬殊的现象也存在，这与孔隙的形状、分布有关，也与表面化学性质有关。

关于孔隙的形状很难取得一致的认识，一般情况下，多采用假定的圆筒形。此外，不同的研究方法所采用的形状也不相同，例如瓶颈形、两端开放的毛细管形、一端闭塞的毛细管形、两个平面形成的平板形、V字形和圆锥形等。计算上一般是将孔隙假定为圆筒形毛细管状。

杜比宁（Dubinin )将活性炭的孔隙分布分为三个系列，按照孔隙的大小分为：

大孔：半径为（1000~100000）×10-10m；过渡（中）孔：半径为（20~1000）×10-10m；微孔：半径＜20×10-10m。

由于活性炭的种类不同，其微孔容积约在0.15~0.9mL/g之间，它占单位重量活性炭总面积的95%以上。从这个数字来看，与其他吸附剂相比，活性炭具有微孔特别发达的特性。

过渡孔的容积通常为0.02~0.1mL/g，比表面积不超过总面积的5%。但是，采取特殊的活化方法，在特殊的活化条件（延长活化时间，减缓升温速度，使用药品活化，如抓化锌活化或磷酸活化等）下能够制造出过渡孔发达的活性炭。其容积可达0.3~0.9mL/g,表面积可达到或超过200m2/g。

大孔容积为0.2~0.5ml/g，其表面积较小，一般不超过0.5~2.0m2/g。

活性炭的三种孔隙都有各自的吸附特性，而对吸附起决定作用的则是微孔。但是，直接分布在活性炭外表面上的微孔是很少的，通常由大孔中分出过渡孔，进而再由过渡孔分出微孔，见图5。因此吸附质要吸附于微孔中，必须先经过大孔和过渡孔。另外在液相吸附中，分子直径大的吸附质很难进入微孔中，于是便吸附于过渡孔中，因此一定程度的过渡孔是必要的。大孔的表面积占总表面积的比例很小，对吸附量没有很大影响，但当活性炭作为催化剂载体使用时，其作用就显得重要了。

隙分布对吸附容量有很大影响，其原因是因为存在着分子筛作用。这是由于一定尺寸的吸附质分子不能进入比其直径小的孔隙，究竟能允许多大的分子进入，按照立体效应，大约是孔径的0.5~0.2。此外，在液相吸附中还存在着吸附质分子的溶剂效应影响，即在液相中吸附质的表观分子直径变大，直径小的孔隙往往进不去。

活性炭的制作是将有机物质，如树木、果壳、果核、糖以及褐煤、烟煤、无烟煤等，在CO、CO2、H2O的气氛下（隔绝空气）加热到800~900℃，进行活化，即得到活性炭；在活化过程中，大约有20%炭被汽化。

C＋CO2→2CO

C＋H2O=====CO＋H2

留下的炭呈透穿微孔结构，孔隙非常发达，且多为开口孔隙，微孔直径0.5~2μm。因此活性炭具有巨大的比表面（400~1000m2/g)。活性炭的活性，是巨大的比表面和存在于表面的反应基团二者结合所产生的作用。

用于从氰化矿浆中吸附金的活性炭是采用高温热活化方法制得的，即将椰壳或果核等在500~600℃的惰性气体中进行脱水和炭化，再于800~1100℃的水蒸气、二氧化碳、空气或它们的任意混合气体中进行活化，而使它的微晶组织占优势。经这样制造的典型椰壳炭，孔径在1.0nm左右的孔穴，约占孔穴总体积的90%。