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【活性炭的吸附性能详解】

来源：花匠小妙招时间：2025-05-16 09:58

吸附形式

活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布几个因素决定的。其吸附形式可分为物理吸附和化学吸附。

(l)物理吸附

物理吸附的作用力主要是分子间的范德华力，这种引力是由分子或原子中电子的瞬间不对称偶极(激发偶极)产生的，其有足够的强度，可以吸附液体中的分子。在该吸附过程中被吸附的分子和吸附剂表面组成都不会改变，并且这种吸附是可逆，即在吸附的同时被吸附的分子由于热运动会离开固体表面，发生解吸现象。活性炭通过物理吸附可吸附多种物质，但对各物质的吸附量有所差别，一般对芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附；对支链烃类的吸附优于对直链烃类的吸附；对分子量大、沸点高的有机物的吸附优于对分子量小、沸点低的有机物的吸附。

(2)化学吸附

化学吸附依赖于吸附别和吸附质间的化学健合作用。是一种放热过程吸附比较稳定，不易解吸，且具有不可逆性。化学吸附具有选择性，只对某种或几种特定物质起作用。活性炭表面以酸性氧化物为主时，容易吸附极性强的化合物，限碍非极性物质的吸附。
物理吸附与化学吸附的比较见下表

物理吸附与化学吸附的比较性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附热近于液化热近于化学反应热吸附温度较低相当高(远高于沸点)吸附速度快有时较慢选择性无有吸附层数单层或多层单层脱附性质完全脱附脱附困难，常伴有化学反应

活性炭的吸附包括膜扩散，孔扩散及在活性炭的空隙表面吸附三个阶段。膜扩散是指被吸附的物质在活性炭表面形成水膜的过程；孔扩散只被吸附物质在活性炭内部空隙的扩散，因此吸附速率主要取决于被吸附物质向活性炭表面的扩散。

吸附等温线

单位性质吸附剂所吸附的吸附物质的质量成为吸附量（g/g），其可通过下式计算：

x/m=V(C0-Ce)/m

式中，x为被吸附吸附质的质量，g；m为头家的活性炭质量，g；V为含吸附质的水样容积，L；C0为原水样中吸附质的浓度，g/L；Ce为达到吸附平衡时，水中剩余的吸附质浓度，g/L。

活性炭吸附过程通常是可逆的。当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不在改变而大带平衡。此时吸附质在溶液中的浓度成为平衡浓度。

影响活性炭吸附的因素应包括：活性炭的物理性质、化学性质、被吸附物质的性质及水溶液的性质等，其中活性炭的物理、化学性质对其吸附效果起着决定性的作用，主要为活性炭的比表面积、孔容分布、表面化学性质、极性及所带电荷等。

用于水处理的活性炭应有三项要求：吸附容量大、吸附速度快及机械强度好。活性炭的吸附容量除其他外界条件外，主要与活性炭比表面积有关，比表面积大，微孔数量多，可吸附在细孔壁上的吸附质就多。吸附速度主要与粒度及细孔分布有关，水处理用的活性炭，要求过渡孔较为发达，有利于吸附质向微孔中扩散，活性炭的粒度越小吸附速度越快，但产生的阻力损失就要增大，一般微孔尺寸在8-30目范围内为宜。活性炭的机械强度与其选用的制造材料及制造过程有关，它的机械耐磨强度或抗碎裂强度将直接影响活性炭的使用寿命。

(l)活性炭的性质

1.比表面积。活性炭的比表面积较大，一般为7OO-l6OOm²/g，所以对许多物质具有很强的吸附性能力。比表面积越大的活性炭，其活性表面活性点就越高。但是比表面积相同的活性炭其吸附量不一定相同，这主要是因为吸附量还受吸附剂孔隙构造和分布的影响。吸附质是否能被吸附还要看活性炭的孔隙尺寸及构造，如果活性炭的孔隙孔径小于吸附质的分子或离子的直径，那么吸附质就不能到达活性炭的表面，也就不能被活性炭吸附。般认为，活性炭的微晶凝聚体中包含着形状不规则的缝隙连接网，在这种网中有大小不同的孔径，大孔为可吸附的分子进入内部提供通道，微孔则提供进行吸附的表面积，但应注意的是，并不是所有微孔的吸附性都一致，往往在不同的表面积部位有特定的和具选择性的吸附能力。

2.孔容分布。活性炭的吸附性能主要取决于其孔径分布，日本有研究者通过试验得出了活性炭的吸附能力与比表面积和平均孔隙直径的关系。试验方法是在SO.L初始浓度为3OOmg/L的亚甲基蓝溶液中加入SOmg各种吸附剂，在ZSC下进行吸附，测定达到吸附平衡后亚甲基蓝的浓度，其不同孔径分布的吸附剂对亚甲基蓝吸附能力的试验数据见下表，存在的关系如式所示。

1g[(C0-C)/C]=0.00644S-1.23D-0.935

比表面积主要取决于孔隙的微孔容积，与吸附剂的吸附容量有密切的关系。如式中S的系数为正值，S越大吸附能力就越强；平均孔隙直径D表承吸附力的强度，吸附主要由分散力引起，吸附质与孔隙表面越接近越好，平均孔径越小的活性炭吸附力越强，因此D的系数为负值。所以可以认为比表面积越大、平均孔径越小的活性炭吸附力越大。

疏水性吸附剂的制造条件、孔隙特性及对亚甲基蓝的吸附性能
原料炭化温度
/℃活化时间
/min比表面积
/（m²/g）比孔容积
/（mL/g）平均孔隙直径D
/nm亚甲基蓝吸附性能
C/（mg/L）
[A]煤-+10100.5682.250.243.10
[B]煤-+8500.4372.061.292.37
[C]煤-+11500.6972.420.123.40
[D]椰子壳++9780.4791.960.402.87
[E]木材++14201.464.110.223.13
[F]XAD-2--3000.7249.65300-
[G]XAD-2+700-2600.1612.48298-2.17
[H]XAD-2+600+306400.4642.90152-0.0116
[I]XAD-2+600+608600.5492.55201.51
[J]XAD-4--7251.297.11300-
[K]XAD-4+600-3900.2322.38292-1.56
[L]XAD-4+500+607000.4172.381190.182

(2)吸附质的性质

1.分子的构造大小。随着吸附质分子量的增加，吸附量也增加，但由于受活性炭内孔隙扩散速度的影响，当活性炭微孔大小为吸附质分子大小的3-6倍时，能够进行有效吸附，如果小于这个差值，则由于分子筛的作用而使扩散阻力增加，不利于吸附。在同系物中，分子量大的较分子量小的易吸附；不饱和键的有机物较饱和的易吸虚L#香族化合物较脂肪酸化合物易吸附；越能降低溶液表面张力的物质越易被吸附。

2.溶解度。活性炭为疏水性物质，吸附质分子的疏水性越强越易被吸附。吸附质溶解度越小，越容易被活性炭吸附。同族物质的溶解度随链的加长而降低，而吸附容量随同系物的系列上升或分子量的增大而增大。

3.极性。活性炭是种非极性的吸附剂，对水中非极性物质的吸附能力较极性物质强。

(3)水的性质

1.PH值的影响。PH值表征水中H+或OH-、的多少，其方面会影响吸附质在水中的存在状态(分子、离子、化合物)，控制水中某些化合物的离解度和溶解度，影响化合物的吸附，另方面活性炭会吸附水中的H+或OH-，影响活性炭对其他离子的吸附。活性炭对水中有机污染物质的吸附效果般随溶液PH值的增加而降低，PH值较低时效果较好，PH值高于9.0时不易吸附。不同溶质吸附的最佳PH值范围应通过试验确定。

2.溶液温度的影响。活性炭吸附单位质量的吸附质放出的总热量为吸附热，吸附热越大，温度对吸附的影响越大。液相吸附吸附热较小，温度变化对而气相吸附则不然，温度是其重要的影响因素。用活性炭吸附水中的影响非常小，往往可以忽略不计。但另一方面，如果提高溶液温度，可加大吸附质在活性炭内部的扩散速度，进而提高活性炭法的吸附速度。

(4)溶液多组分共存的影响

采用活性炭吸附水中的污染物不是单一组分，而是由多组分组成的混合物，因此在吸附时存在着相互影响，它们之间既可以互相促进又可以互相干扰。一般情况下，活性炭对混合溶质的吸附较单组分为差。