活性炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)

　　一、活性炭的元素組成

　　碳是活性炭的主要元素成分。以扣除灰分后的總重量為基準(zhǔn)計(jì)算，通常碳含量在90％以上，氧含量在5％以下，氫含量小于2％。灰分中常見的金屬元素有鈣、鎂、硅、錳、鐵、鋁、鉀、鈉等，常見的非金屬元素有磷、氮、硫、砷、硼等。它們?cè)诨钚蕴恐械拇嬖跔顟B(tài)對(duì)活性炭在催化、催化劑載體、電池的電極方面的應(yīng)用具有較大的影響。酸洗和水洗是去除灰分的主要工業(yè)方法。氯化鋅法生產(chǎn)的活性炭還含有少量的氯。

　　灰分的絕大部分能溶于酸，能用酸洗、水洗除去。如一種含灰分4.3%的活性炭用蒸餾水抽提后灰分減少到3.1%，進(jìn)一步用醋酸抽提用蒸餾水洗滌，灰分減到1.7%,最后用氫氟酸抽提燕餾水洗滌，灰分只剩0.2%。工業(yè)上一般用鹽酸處理。但酸洗會(huì)增加活性炭表面含氧絡(luò)合物-活性炭的極性增加。

　　二、活性炭的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)

　　非碳元素的存在狀態(tài)主要有兩種，一種是與富于反應(yīng)性的類石墨微晶端面上的碳原子或單個(gè)碳網(wǎng)平面邊緣上的碳原子結(jié)合，形成表面化合物；第二種是以雜原子的形態(tài)進(jìn)入類石墨微晶或游離的單個(gè)碳網(wǎng)平面的結(jié)構(gòu)之中。

　　活性炭中的氧和氫大部分是以化學(xué)鍵和碳原子相結(jié)合形成有機(jī)官能團(tuán)，它是活性炭組成的有機(jī)部分。松煙和活性炭中的氧含量較多，而且含有各種形態(tài)結(jié)合的氧，而焦炭和炭黑中幾乎不含以醚類形式結(jié)合的氧。在松煙和炭黑試樣中，常含有揮發(fā)物質(zhì)，這些物質(zhì)能和重氮甲烷和格林試劑起反應(yīng)，所以，它的數(shù)值有偏大的情況。

　　大部分的氫是同碳原子直接結(jié)合的。據(jù)研究，炭中的氧、氫和其他原子是和基本微晶的邊緣或角上的碳原子相結(jié)合，因?yàn)檫@些碳原子的化合價(jià)沒有被周圍的碳原子所飽和，因此，它們的反應(yīng)性較大。同祥，在晶格有缺陷的位置L的碳原子，例如在扭歪的或不完整的碳的六角環(huán)上的碳原子，也有更大的反應(yīng)性，因而趨向于和氧、氫等元素結(jié)合。

　　活性炭的表面氧化物的形成和種類

　　表面氧化物的形成：炭在活化時(shí)所含氫、氧不斷減少，同時(shí)炭在活化過程也會(huì)吸附一些外來的氧，因此，可以認(rèn)為，活化和對(duì)氧的吸附是同時(shí)進(jìn)行的。活性炭吸附的氧，一部分是化學(xué)吸附，形成表面氧化物，當(dāng)脫附時(shí)是以二氧化碳或一氧化碳的形式釋放出來，這是由于生成的表面氧化物發(fā)生熱分解。表面氧化物對(duì)活性炭吸附酸或堿影響很大，如把活性炭加入電解質(zhì)溶液中，能引起溶液酸堿度的變化，這就是很好的說明。

　　表面氧化物的種類：根據(jù)對(duì)活性炭表面化學(xué)進(jìn)行的研究，推測(cè)表而氧化物分為A、B、C三種模式：酸性氧化物（氧化物C）和堿性氧化物（氧化物A和B)。在活性炭材料表面可能存在下面含氧官能團(tuán)：羧基、酸酐、酚羥基、羰基、醌基、內(nèi)酯基、乳醇基、醚基。