活性炭過濾吸附原理
根據(jù)吸附過程中,活性炭分子和污染物分子之間作用力的不同,可將吸附分為兩大類;物理吸附和化學吸附(又稱活性吸附)。在吸附過程中,當活性炭分子和污染物分子之間的作用力是范德華力(或靜電引力)時稱為物理吸附;當活性炭分子和污染物分子之間的作用力是化學鍵時稱為化學吸附。物理吸附的吸附強度主要與活性炭的物理性質(zhì)有關,與活性炭的化學性質(zhì)基本無關。由于范德華力較弱,對污染物分子的結(jié)構(gòu)影響不大,這種力與分子間內(nèi)聚力一樣,故可把物理吸附類比為凝聚現(xiàn)象。物理吸附時污染物的化學性質(zhì)仍然保持不變。
由于化學鍵強,對污染物分子的結(jié)構(gòu)影響較大,故可把化學吸附看做化學反應,是污染物與活性炭間化學作用的結(jié)果?;瘜W吸附一般包含電子對共享或電子轉(zhuǎn)移,而不是簡單的微擾或弱化作用,是不可逆的化學反應過程。物理吸附和化學吸附的根本區(qū)別在于產(chǎn)生吸附鍵的作用力。
吸附過程是污染物分子被吸附到固體表面的過程,分子的自由能會降低,因此,吸附過程是放熱過程,所放出的熱稱為該污染物在此固體表面上的吸附熱。由于物理吸附和化學吸附的作用力不同,它們在吸附熱、吸附速率、吸附活化能、吸附溫度、選擇性、吸附層數(shù)和吸附光譜等方面表現(xiàn)出一定的差異。
活性炭過濾器的工作是通過炭床來完成的。組成炭床的活性炭顆粒有非常多的微孔和的比表面積,具有很強的物理吸附能力。水通過炭床,水中有機污染物被活性炭有效地吸附。此外活性炭表面非結(jié)晶部分上有一些含氧管能團,使通過炭床的水中之有機污染物被活性炭有效地吸附?;钚蕴窟^濾器是一種較常用的水處理設備,作為水處理脫鹽系統(tǒng)前處理可有效后級設備使用壽命,提高出水水質(zhì),防止污染,特別是防止后級反滲透膜,離子交換樹脂等的游離態(tài)余氧中毒污染。
活性炭過濾器主要用于去除水中有機物,膠體硅,余氯(Cl2)等,對臭味,色度,重金屬離子的吸附能力很強。飲料行業(yè)選用凈水炭,可改善產(chǎn)品口感。
活性炭中的灰分組成及其含量對炭的吸附活性有很大影響?;曳种饕蒏2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等組成,灰分含量與制取活性炭的原料有關,而且,隨炭中揮發(fā)物的去除,炭中的灰分含量增大。
活性炭孔隙結(jié)構(gòu):
活性炭是由石墨微晶、單一平面網(wǎng)狀碳和無定形碳三部分組成,其中石墨微晶是構(gòu)成活性炭的主體部分?;钚蕴康奈⒕ЫY(jié)構(gòu)不同于石墨的微晶結(jié)構(gòu),其微晶結(jié)構(gòu)的層間距在0.34~0.35nm之間,間隙大。即使溫度高達2000 ℃以上也難以轉(zhuǎn)化為石墨,這種微晶結(jié)構(gòu)稱為非石墨微晶,絕大部分活性炭屬于非石墨結(jié)構(gòu)。石墨型結(jié)構(gòu)的微晶排列較有規(guī)則,可經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為石墨。非石墨狀微晶結(jié)構(gòu)使活性炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu),其孔隙結(jié)構(gòu)可由孔徑分布表征?;钚蕴康目讖椒植挤秶軐?,從小于1nm到數(shù)千nm。有學者提出將活性炭的孔徑分為三類:孔徑小于2nm為微孔,孔徑在2~50nm為中孔,孔徑大于50nm為大孔。
活性炭中的微孔比表面積占活性炭比表面積的95%以上,在很大程度上決定了活性炭的吸附容量。中孔比表面積占活性炭比表面積的5%左右,是不能進入微孔的較大分子的吸附位,在較高的相對壓力下產(chǎn)生毛細管凝聚。大孔比表面積一般不超過0.5m2/g,僅僅是吸附質(zhì)分子到達微孔和中孔的通道,對吸附過程影響不大。
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