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活性炭的基本原子性结构说明

出处:澳门大阳城集团app  发布日期::2014-9-16 20:44:25  浏览次数:1341 【字体:

活性炭的基本原子性结构说明

  由活性炭结构的最小单位原子开始,而后解析其结构单元,对活性炭的机能基础的原子性结构进行说明。

  碳原子具有 (2S) 2、(2p)2两种价电子,化学结合时形成Sp、Sp2、SP3三种混合轨道。特别是构成活性炭的基本结构单元时结构,是由sp2混合轨道所形成的、结合角为I20°的平面结构。严格说来,一种二元格子结构,,可以说是活性炭的碳原子排列中所能见到的唯一的规则结构。由这样排列的碳原子所形成的基底面规则性地积层结构所构成的三元结晶称作石墨。在X射线衍射中能观察到三元结构形成的峰,但是,构成活性炭的孔璧的碳素固体虽然叫做石墨状微晶,二元格子却没有采取石墨那样规则性的乱层结构。

  活性炭表面的四种官能团,最初以内酯形式存在,采取了一种邻位羟基内醚的结构,由于碱的作用才变成敞开型、浩性炭的表面官能团参与有机化学中已知的那些通常的化学反应。即羧基和重氮甲烷、醇、乙酷氯、亚硫酰二氯反应;苯酚和对硝基氯化苯反应;乙醇盐和羧基反应并再和轻胺反应而形成肟。

  关于活性炭表面官能团的鉴定,由于难于使用红外光谱等测定手段,所以试用已知的化学反应对这些官能团进行鉴定。这类鉴定是利用有机化合物的羧基、醇、醌等的反应性,鉴定氢氧根的方法和二氧化硅、氧化铝等金属氧化物的表面氢氧根的简单方法相同。

  有机官能团和表面氧化物由于其极性和本身的酸碱性,影响活性炭的疏水性,也影响活性炭的某些吸附性能。如影响活性炭对酸和碱的吸附。据日本报道,通过在活性炭表面导人有机官能团或表面氧化物制得了具有特殊吸附性能的亲水性活性炭。

  活性炭表面化学结构的分析表征:

  活性炭上的主要杂原子是氧原子,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。

  (l)Boehm滴定法它根据不同强度的碱性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,NaHCO3(pK=6.37) 仅中和炭表面的羧基,NazCO3(pK=10.25)可中和炭表面的羧基及内酯基,而NaOH (pK=15.74) 可中和炭表面的羧基、内酯基和酚羟基。根据碱消耗量的不同,可计算出相应的官能团的量。

  (2)零电荷点PZC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碱性的一个重要参数。而IEP为水溶液中固体表面电势为零时的PH值,称为等电点(soelectric point) 。如果不存在除H+, OH-之外的吸附离子,则pHpzc=pHiEp。如果发生非电势决定离子的特殊吸附,则两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密切的关系,它与Boehm滴定存在着很好的相关关系。IEP一般通过电泳法测定。有研究认为通过电泳法测得的lEP为活性炭的外表面特征,由于OH- 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XP Sxps (天ray photoelectron spectroscopy)是一种有效的监测表面化学结构的分析手段,采用Gaussion/Lorent;zian 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。原子被高能x射线轰击,能发射出的电子或内层电子的结合能。原子被高能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。通过对特定的原子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 红外光谱可以测量分子的转动态和振动态,从而可以得出关于被吸附物质中心及被吸附物质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,而且极易于采用红外光谱分析。而傅里叶变换红外技术(Four;ertransform infrared, spectroscopy, FT-IR),由于采取了干涉光装置,来启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,分辨率提高。FT-IR 偏振性较小,可以累加多次,快速扫描后进行记录。己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,在惰性气体中热分析,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的种类。