無煙煤濾料中的炭分子通常被認為是無定形碳。X射線衍射分析表明，它結(jié)構(gòu)中含有1-3nm的石墨微晶，所以又有人認為它屬于微晶類碳。除了碳之外，活性炭中還含有一些雜原子，形成含氧基團。對活性炭性質(zhì)起了很重要作用。炭分子的氧化物成分也影響活性炭吸附。炭分子在高溫有氧條件下活化。在其表面會形成一些含氧基團，這些無煙煤濾料基團可分為酸性基團和堿性基團兩大類。高溫活化((800-900℃)容易形成堿性基團，炭分子低溫活化(300-500℃以下)容易形成酸性基團。常見的酸性基團以羥基、
內(nèi)脂基為主，常見的堿性基團是含有氧萘結(jié)構(gòu)的基團，基團的數(shù)量大約為0.1-0.5mmol/g。
炭分子表面含氧官能團對其吸附性能有影響。由于酸性官能團多具有極性，因此易對水中極性較強的化合物進行吸附，并妨礙對非極性物質(zhì)的吸收。如芳香化合物、非極性烷鏈等。因為水中天然有機物多含有芳香環(huán)，所以不宜使用低溫活化的活性炭進行吸附操作?；钚蕴渴褂檬Ш蟮脑偕惨⒁獠灰纬伤嵝曰鶊F，長期貯存無煙煤濾料由于空氣緩慢氧化而產(chǎn)生酸性基團，這也會降低其對水中天然有機物的吸附能力。
無煙煤濾料中炭分子*主要的結(jié)構(gòu)特征是它的碳分子孔結(jié)構(gòu)。描述孔結(jié)構(gòu)的指標是比表而積，孔徑、孔徑分布和孔容。炭分子吸附所依賴的巨大比表面積主要是內(nèi)部孔洞的表而。如果對孔的大小進行區(qū)分，則可以分為微孔、過渡孔(中孔)和大孔三種。按國際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會的規(guī)定，微孔是指孔直徑小于2nm的孔，無煙煤濾料中孔是指孔直徑為2~50nm的孔，大孔是指直徑大于50nm的孔。炭分子的孔徑結(jié)構(gòu)好比一個城市內(nèi)四通八達的交通網(wǎng)。大孔在活性炭結(jié)構(gòu)中好比城市的主要干道，中孔好比區(qū)域性通道，而微孔則是城市的基層弄堂、巷道。因此，微孔結(jié)構(gòu)是活性炭孔面積的主要來源。有人曾對活性炭不同尺寸孔的面積及孔容進行測定。認為微孔面積要占活性炭比表而積的95%以上(見下表格)。所以活性炭的吸附能力主要是由微孔引起的。
炭不同尺寸孔的孔容和孔面積
孔類型 孔直徑/nm 孔容/ml/g 孔面積/m2/g 孔隙數(shù)/個/g
大孔 >50 0.2-0.5 0.5-2 1020
過濾孔(中孔) 2-50 0.02-0.2 1-200
微孔 <2 0.25-0.9 500-1500
炭分子比表面積一般在800-1000m2/g左右，目前比表面積*高的活性炭可達3000m2/g。比表而積測定方法很多，常用的是BET法。除此之外還有液相色譜法。X射線小角度散射法等。BET法是將經(jīng)真空脫氣處理后的活性炭試樣，在-196℃下吸附氮氣，這時在炭樣品表而上吸附一單分子層氮，根據(jù)單分子層吸附量及每一氮氣分子占據(jù)的表面積。利用BET公式計算活性炭比表面積，公式如下：S=4.353Vm/m 式中：S--比表面積，m2/g;Vm--在標準溫度和壓力下，表面為單分子層時吸附的氮氣體積，cm3;m--活性炭質(zhì)量，g;4.353--換算系數(shù)。Vm可以通過下式計算：
P/Va(Po-P)=1/VmC+c-1/VmC P/Po 式中：P--吸附平衡時氮氣壓力;Po-液氮溫度下，被吸附氮氣的飽和壓力;C--與吸附熱有關(guān)的常數(shù);Va--平衡壓力下試樣所吸附的氮氣體積。
孔徑分布是了解活性炭孔結(jié)構(gòu)和吸附性能的*主要指標。無煙煤濾料孔徑分布測定方法有電子顯微鏡法、分子篩法、壓汞法、X射線小角度散射法等，常用的是壓汞法，該法是利用汞不潤濕活性炭細孔壁，要讓汞進入細孔中就需要壓力這一原理，通過下式進行計算：rp'=-2vcoso 式中：r-圓筒形細孔的孔半徑;p-汞的壓力;v-汞的表面張力;o--汞的接觸角。在壓力P下，汞應(yīng)該進入半徑r以上的所有細孔中，所以測定由于壓力的變化而引起進入汞量的變化，就可以知道孔徑太小，進而確定孔徑分布。
炭分子的比孔容一般不超過0.7mL/g，中孔孔容一般約0.1-0.3mL/g，孔容和孔容分布可以在用液氮測比表面積時通過計算求得。比表面積、孔容和孔的平均半徑之間存在如下關(guān)系：
r=2V/S 式中：r-假定孔為圓筒狀孔時，孔的平均半徑;V--比孔容積;S--比表面積。
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