活性炭的表面化学性质

（1）活性炭的表面官能团在制备活性炭的活化反应中，微孔进一步扩大形成了许多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被烧掉， 化学结构出现缺陷或不完整，此外由于灰分及其他杂原子的存在， 使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，使氧和其他杂原子吸附于这些缺陷上与层面和边缘上的碳反应形成各种键，以至形成各种表面功能基团，因而使活性炭产生了各种各样的吸附特性。对活性炭吸附性质产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团。

低的活性炭表面表现出碱性特征以及阴离子交换特征。除了含甎棊团外，含氮官能团也对活性炭的性能产生显著影响。活性炭表面的
含無官能团主要取决于活性炭的制备方式。活性炭表面的氮原子可
以通过活性炭与含氮试剂反应和用含氮原料制备?种方式引人。活
性炭表面可能存在的几种含氮官能团如图所示1。 '
(2)活性炭表面化学结构的分析表征活性炭上的主要杂原子为氧原子，最常见的官能团为羧基、内酯基、羟基和酚羟基。这些基团使活性炭在水中呈两性。利用这种酸碱特性可以测定出表面的含氧基团.
①Boehm滴定法[15，16，19]它根据不同强度的碱与酸性表面氧化基团反应的可能性对含氧官能团进行定性与定量分析。一般认为NaHCa(pK=6.37)仅中和炭表面的羧基，Na2C03 (pK= 10. 25) 可中和炭表面的羧基和内酯基，而NaOH(pi( = 15. 74)可中和炭表面的羧基、内酯基和酚羟基。根据滅消耗量的不同，可计算出相应的官能团的量，
②零电荷点PZCW，is]水溶液中固体表面净电荷为零时的pH值，称为零电荷点PZC (point of zero charge), PZC为表征活性炭表面酸?性的一个重要参数。而IEP为水溶液中固体表面电势C为零时的pH值，称为等电点（isoelectric point)。如果不存在除H+、 OH—之外的吸附离子，则pHpzc-pH!^如果发生非电势决定离子的特殊吸附，则二者向相反的方向偏移。PZC与活性炭酸性表面氧化物特别是羧基有着密切关系，它与Boehm滴定存在着很好的相关关系。IEP—般通过电泳法测定。有研究认为通过电泳法测得的IEP为活性炭的外表面特征，由于0H-和H+比活性炭的微孔要小。因此，通过滴定法测定出的PZC，对应的是活性炭的全部表面或绝大部分表面特征。 '
③ X射线光电子能谱XPSO'21]    XPS (X-ray photoelectrof
spectroscopy)是一种有效的监测表面化学结构的分析手段，采用Gaussion/Lorentizian函数所得谱图进行曲线拟合，该技术依据爱
因斯坦的光电效应来测定表面元素的原子的价电子或内层电子的结合能。原子被髙能X射线轰击，能发射出的光电子其平均逃逸深度为0.5?2nm，故只能探测位于表面的物种。其主要用途是用于
测定由表面元素引起发射光电子的结合能发生位移的化学环境的变化。通过对特定原子（如C， N, 0)的键能进行扫描不仅可以定
量测定样品表面的元素组成，而且可以分析元素的结合形式。
④ 傅里叶变换红外光谱法FT-IR[7.20]  红外光谱可以测知分子的转动态和振动态，从而可以得出关于被吸酎物质中心及被吸附物质与表面之间键合的性质。由于活性炭为黑色，对红外辐射吸收强，同时表面不均匀的物理结构又加大了红外光的散射，而且极易被"背景"吸收，因此，一般认为只要碳含量大于94%就不适合于采取红外光谱分析。而傅里叶变换红外技术（Fourier transformjiifeared spectroscopy, FT-IR)，由于采取了干涉光装置，来自全光谱的辐射在整个扫描期间始终照射在检测器上，使光通量增大， 分辨率提髙。FT-1R偏振性较小，可以累加多次，快速扫描后进行记录。已成为活性炭表面官能团定性分析的有力工具。
⑤ 热重分析根据不同官能团的热稳定性不同，在惰性气体中热分解，得到样品失重的微分曲线和积分曲线。失重曲线可间接反映出活性炭的表面结构尤其是表面官能团种类。

活性炭吸附理论

1.活性炭表面的吸附作用按吸附作用力性质的不同可将活性炭表面的吸附分为物理吸附和化学吸附。发生物理吸附主要是因分子间作用力范德瓦尔斯力的作用，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。在该吸附过程中被吸附分子和吸附剂表面组成都不会改变。而化学吸附时吸附分子和吸附剂表面间有某种化学作用，即它们之阆有电子的交换、转移或共有，从而可导致原子的重排、化学键的形成或破坏。化学吸附一般发生在像边缘不饱和碳原子等活性位上，于是存在固定的吸附位，而且被吸附分子不能沿表面移动，物理吸附通常进行得很快，并且是可逆的，被吸附的气体在一定条件下，在不改变气体和固体表面性质的状况下定量脱附。

活性炭物理吸附是放热过程，其吸附热与气体的液化热接近。气体的物理吸附与气体液化过程相似，故只有在临界温度以下才能发生，且通常在较低的温度（如吸阱质气体的沸点附近）时可显著进行。化学吸附常是不可逆的，所以解析困难，并常伴有化学变化的产物析出，化学吸酎的吸附热与化学反应热相近，大多仍为放热过程。化学吸附速度与化学反应类似，霱要活化能的化学吸附常需在较高温度下才能以较快的速度进行。