果殼活性炭的表面吸附作用，果殼活性炭的吸附理論 果殼活性炭生產(chǎn)與應(yīng)用相互促進(jìn)，果殼活性炭的應(yīng)用范圍被迅速開拓。從原來單一的通用炭向多種的專用炭發(fā)展，例如凈水炭、糖炭、味精炭、
油脂炭、黃金炭、載體炭、藥用炭、針劑炭、試劑炭等等，足見果殼活性炭因國內(nèi)經(jīng)濟(jì)蒸蒸日上而應(yīng)用量速增，又因產(chǎn)量擴(kuò)大、陳本降低
而使出口量上升。我國果殼活性炭的應(yīng)用，不僅在國內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展，而且進(jìn)入了國際市場(chǎng)。果殼活性炭是一種非常優(yōu)良的吸附劑，它是利用木炭、
竹炭、各種果殼和優(yōu)質(zhì)煤等作為原料，通過物理和化學(xué)方法對(duì)原料進(jìn)行破碎、過篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加
工制造而成。它具有物理吸附和化學(xué)吸附的雙重特性，可以有選擇的吸附氣相、液相中的各種物質(zhì)，以達(dá)到脫色精制、消毒除臭和去
污提純等目的。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可按照中國國標(biāo)GB，或按照其他國家標(biāo)準(zhǔn)，如：美國ASTM，日本JIS，德國DIN標(biāo)準(zhǔn)等。
果殼活性炭廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，如石化行業(yè)的無堿脫臭（精制脫硫醇）、乙烯脫鹽水（精制填料）、催化劑載體（鈀、
鉑、
銠等）、水凈化及污水處理；電力行業(yè)的電廠水質(zhì)處理及保護(hù)；化工行業(yè)的化工催化劑及載體、氣體凈化、溶劑回收及油脂等的
脫色、精制；食品行業(yè)的飲料、酒類、味精母液及食品的精制、脫色；黃金行業(yè)的黃金提取、尾液回收；環(huán)保行業(yè)的污水處理、廢氣
及有害氣體的治理、氣體凈化；以及相關(guān)行業(yè)的濾嘴、木地板防潮、吸味、汽車汽油蒸發(fā)污染控制，各種浸漬劑液的制備等。
一、固體表面產(chǎn)生吸附作用的原因
固體表面上的原子或分子存在著不均衡的力場(chǎng)，這使得固體表面具有了表面張力和表面能。但固體分子或原子不能自由移動(dòng)，因此，固體表面不像液體那樣易于縮小和變形。然而，任何表面都有自發(fā)降低表面能的傾向，由于固體表面難于收縮，所以只能靠降低界面張力的辦法來降低表面能，這就是固體表面能產(chǎn)生吸附作用的根本原因。[1]
二、活性炭的表面吸附作用
目前固體吸附劑采樣得到了廣泛應(yīng)用。美國職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH) 頒布的用固體吸附劑采樣,其中活性碳作為固體吸附劑占31. 0 %,我國1990 年出版的《車間空氣監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)方法》第3 版中占36. 1 %;2003 年出版的《車間空氣監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)方法》第4 版中占50. 0 %,為固體吸附劑應(yīng)用最多的一種。
活性炭之所以能產(chǎn)生吸附，主要原因是固體表面上的原子力場(chǎng)不飽和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能?；钚蕴康奈阶饔脤儆谖锢砦?，吸附力是分子間力（van der Waals力），它相當(dāng)于氣體分子在固體表面上的凝聚，吸附無選擇性，吸附熱接近于液化熱（0～20kJ·mol－1），吸附速度快，易平衡，而且不需要活化能，吸附層是單或多分子層，吸附具有可逆性。[2]
三、氣體在固體上的吸附理論
固體對(duì)氣體的吸附理論研究認(rèn)為: 化學(xué)吸附總限于單分子層吸附, 放出的吸附熱近似為化學(xué)反應(yīng)熱, 通常大于45 kJ/mol, 并且吸附帶有選擇性, 這是因?yàn)閺?qiáng)烈化學(xué)鍵的作用。而范德華力作用的物理吸附一般是多分子層的, 吸附熱一般小于25 kJ/mol, 吸附的效果只有在吸附物沸點(diǎn)附近才十分顯著。在一定溫度下, 壓力超過0.01 p/p0時(shí)才能有明顯的吸附效果, 形成單分子層飽和吸附(即圖1-b中B點(diǎn)) 的壓力范圍大約在0.1 p/p0左右。多孔介質(zhì)吸附認(rèn)為, 由于吸附時(shí)空隙內(nèi)充滿液體, 等溫線符合圖1-d, 圖1-e 的曲線, 具有最終的飽和點(diǎn)。最有代表性的吸附理論是 Langmuri 與 BET 理論,L理論可成功解釋 1-a 類等溫線, 而 BET 理論是可以定性與半定量解釋吸附過程的最成功的理論, 幾乎可完全定性的解釋Fredlich 歸納出的五類吸附曲線。[3] 從試驗(yàn)測(cè)得的許多吸附等溫線看，大多數(shù)固體對(duì)氣體的吸附并不是單分子層的，尤其物理吸附基本上都是多分子層的吸附。1938年Brunauer、Emmett和Teller三人在Langmuir單分子層吸附理論的基礎(chǔ)上，提出多分子層吸附理論，簡稱BET吸附理論。
多分子層吸附理論基本觀點(diǎn)認(rèn)為朗格繆爾的兩個(gè)假設(shè)：
① 氣體分子碰在已被固體表面吸附的氣體分子上是彈性碰撞，只有碰在空白的固體表面上時(shí)才被吸附，即吸附是單分子層的。
② 被吸附的氣體分子從固體表面躍回氣相的或然率不受周圍氣體分子的影響，即不考慮氣體分子間的相互作用力。
是成立的。他們的改進(jìn)之處是認(rèn)為表面已吸附了一層分子之后，由于氣體本身的范德華力再吸附分子形式第二層、第三層、……多層吸附層，且不一定要等到第一層吸附滿了后再進(jìn)行多層吸附。在各層之間存在著吸附和脫附的動(dòng)態(tài)平衡。
圖1 Brunauer 的5種類型氣體吸附等溫線
四、固-氣界面吸附的影響因素
1、溫度
氣體吸附是放熱過程，因此無論物理吸附還是化學(xué)吸附，溫度升高時(shí)吸附量減少。當(dāng)然在實(shí)際工作種要根據(jù)體系的性質(zhì)和需要來確定具體的吸附溫度，并不是越低越好。在物理吸附中，要發(fā)生明顯的吸附作用，一般說，溫度要控制在氣體的沸點(diǎn)附近。
2、壓力
無論物理吸附還是化學(xué)吸附，壓力增大，吸附量皆增大。物理吸附類似于氣體的液化，故吸附隨壓力的改變而可逆地變化，圖1 的5種類型的等溫線反映了壓力對(duì)吸附量的影響。
3、吸附劑和吸附質(zhì)性質(zhì)
① 極性吸附劑易于吸附極性吸附質(zhì)。
② 非極性吸附劑易于吸附非極性吸附質(zhì)。
③ 無論是極性還是非極性吸附劑，一般吸附質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、沸點(diǎn)越高，被吸附的能力越強(qiáng)。
④ 酸性吸附劑易吸附堿性吸附質(zhì)，反之亦然。
⑤ 吸附劑的孔結(jié)構(gòu)。
五、影響活性碳吸附氣體的幾個(gè)因素
1、活性碳性質(zhì)
活性碳是一種多孔性固體,比表面積大,吸附力比硅膠、氧化鋁都強(qiáng),屬于非極性吸附劑。沸點(diǎn)在0 ℃以上的各種有機(jī)氣體和蒸氣常溫下可被有效吸附,沸點(diǎn)低于- 150 ℃的化合物和永久性氣體氫、氮、氧和一氧化碳、甲烷等實(shí)際上不能用物理方法吸附,沸點(diǎn)在- 100 ℃～0 ℃之間的化合物如氨、乙烯、甲醛、氯化氫、硫化氫等吸附效率低。為了采集這些化合物需在冷凍條件下吸收,也可用浸漬化學(xué)試劑的活性碳以增加吸附能力。
2、解吸
活性碳采樣解吸劑多用二硫化碳,因?yàn)樗跉浠鹧鏅z測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)小,多與被測(cè)信號(hào)分開,對(duì)極性稍大化合物可加入1 %～5 %的醇或酮以提高解吸效率。目前熱解吸法主要用于低沸點(diǎn)有機(jī)化合物的氣相色譜測(cè)定,對(duì)于熱穩(wěn)定性差的化合物或沸點(diǎn)較高的化合物不易采用。
3、吸附效率
3. 1 穿透容量 活性碳是非極性物質(zhì),各種非極性化合物對(duì)它的穿透容量并不相同,影響穿透容量的因素較多,因此必須通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定該化合物的穿透容量。
3. 2 吸附速度 影響吸附效率的程度與吸附劑的種類有關(guān)。一般采用效率是隨著流量減少而增加,但吸附劑有一段最佳流量,可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得,用此流量采用對(duì)穿透容量的影響不明顯。所以工作中不能隨意更改采用速度。短時(shí)采用一般流量100 或200 ml/ min ,一般不能超過500 ml/ min ,長時(shí)間吸附時(shí)流量20～50 ml/ min。
3. 3 被測(cè)化合物的濃度 由于吸附劑對(duì)各種化合物都有一定的穿透容量,所以被測(cè)化合物的濃度越高穿透時(shí)間越短,且容易穿透,吸附中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)濃度靈活規(guī)定吸附的體積,以防止出現(xiàn)誤差。
3. 4 現(xiàn)場(chǎng)濕度 濕度增大穿透容量減小,濕度影響的大小與吸附劑和被測(cè)化合物的性質(zhì)有關(guān),濕度對(duì)非極性吸附劑的影響小于極性吸附劑。但在較濕的情況下,如霧氣細(xì)小水珠,則穿透容量明顯降低。
3. 5 現(xiàn)場(chǎng)溫度 活性碳的穿透容量受溫度的影響,溫度每升高10℃穿透容量可降低1 %～10 % ,建立新方法時(shí)最好在10 、25 和 40℃ 3種溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)穿透容量和解吸效率。[4]
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