活性炭的最大特性就是它的吸附特性,那么活性炭的吸附原理
是什么呢?今天我們來說說它的吸附機制。通過物理學我們知道,吸附現(xiàn)象是兩相界面上物質之濃縮過程,當氣體或液體分子接近吸附材料表面活性位置時,固體表面分子會有向內拉的現(xiàn)象,于是造成不平衡力,由于彼此間相互吸引,流體中某些物質為滿足表面平衡,以降低固體表面張力及自由能,便附著于固體表面,此現(xiàn)象稱之為吸附。進行吸附的物質稱之為吸附劑,而被吸附的物質則稱之為吸附質。
活性炭的吸附機制可依吸附作用力的大小區(qū)分成物理及化學吸附,物理吸附在發(fā)生時,主要是靠凡得瓦爾力作用,使之附著在吸附劑表面,故又稱凡得瓦爾吸附。吸附能力通常與吸附面積成正比,吸附也不只限于單分子層,其表面可容納許多分子層的吸附,而且為可逆的平衡反應;瘜W吸附指吸附質與吸附劑間產生了化學反應,形成化學鍵。化學鍵的結合力遠比凡得瓦爾力來的大,一般可分為:分解性化學吸附及非分解性化學吸附,化學吸附活化能高,故反應速率慢,且僅能單層不可逆吸附,吸附速率隨溫度的不同而改變。
活性炭吸附質分子自流體態(tài)傳輸至活性碳孔隙,可需分為七個步驟:
(1)外部擴散(external diffusion):即吸附質自溶液分散相傳輸至吸附劑表面時,須通過圍繞活性碳之溶劑膜過程,即吸附質分子傳送至吸附劑表面附近。
(2)表面擴散(surface diffusion):被吸附之吸附質沿吸附劑外表面擴散至孔隙內部的過程。
(3)顆粒內部擴散(intragranular diffusion):即吸附質傳送至吸附劑孔洞內部之吸附位址(site fixation)的過程。
(4)物理性吸附(physical adsorption):吸附質與吸附劑接觸后,吸附質分子附著于吸附位址上,失去自由度,此時吸附質出口濃度會降低,且以出口濃度變化的情形,來表示其吸附速率。
(5)脫附(desorption):吸附質自活性位置上脫離,重新獲得自由度,即自吸附劑孔隙內部之脫出過程,而當步驟(4)和(5)之反應速率相當時,則活性炭-吸附質達動態(tài)平衡。
(6)化學吸附(chemical adsorption):吸附質與吸附劑表面產生化學反應,視吸附質與吸附劑之性質而有所不同。
(7)表面更新(surface renewal):已被吸附于吸附劑(活性碳)上之吸附質,其化學反應產物,具高度揮發(fā)性,或經金屬離子催化而水解,故而自吸附劑上脫除,使吸附劑恢復吸附能力,而能再次使用。通常外部擴散、表面擴散及顆粒內部擴散的擴散速率決定了活性炭的吸附速率,然而在液相流動吸附系統(tǒng)中,若流速太慢,則會造成對流過慢,使顆粒內部擴散成為液相吸附速率的控制因素。