摘要：活性炭常被用于有機(jī)物、色素以及金屬離子的吸附處理，但在某些條件下活性炭的吸附能力卻很低。我們針對活性炭吸附機(jī)理主題進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，以解釋活性炭針對不同種類顏色吸附效果差異的原因。
活性炭是中學(xué)化學(xué)實驗中常見的一種吸附劑，在九年級《水的凈化》學(xué)習(xí)中，活性炭的吸附性可用于凈化自然界中水的顏色和異味，而在各類中學(xué)化學(xué)試題情境中，也常常提及活性炭對于化工廠事故中泄漏藥品的吸附處理。有一位中學(xué)化學(xué)老師在實驗探究活動后問道：“活性炭可以使品紅溶液、芬達(dá)飲品、紅墨水、高錳酸鉀溶液褪色；但是對于硫酸銅溶液、可樂褪色都比較小，這是什么原因呢？”本文試圖綜述相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。
一、活性炭的孔隙性能
制備活性炭過程中，往往會將無定形炭基本微晶之間各種含碳化合物及無序炭（有時也從基本微晶的石墨層中除去部分炭）清除，之后即產(chǎn)生孔隙�；钚蕴靠紫督Y(jié)構(gòu)的表面化學(xué)性質(zhì)特殊，往往決定了活性炭的整體性能。研究發(fā)現(xiàn)，孔腺形狀多種多樣，有些孔形似墨水瓶狀，有些是兩端敞開或一端敞開的毛細(xì)管狀，還有些是兩平面之間有些規(guī)則的狹縫、錐形孔等。
吸附作用主要發(fā)生在吸附劑和吸附質(zhì)的界面上，在吸附劑的孔隙中進(jìn)行，因此作為吸附劑的活性炭的孔徑—孔容分布狀況決定了其對吸附質(zhì)的選擇性吸附能力。分子直徑大的吸附質(zhì)無法進(jìn)人孔徑比吸附質(zhì)分子直徑還小的孔隙中，但如果孔徑相對吸附質(zhì)分子直徑過大，則又不利于吸附�；钚蕴课⒖酌娣e大，表面的酚羥基、羧基官能團(tuán)越豐富，其吸附的性能越好，說明活性炭微孔面積大小及表面酚羥基、羧基官能團(tuán)是決定其吸附的重要因素。
二、活性炭的吸附性質(zhì)
1 活性炭的物理吸附性質(zhì)
吸附劑和吸附質(zhì)通過分子間作用力產(chǎn)生的吸附主要是物理吸附，特點(diǎn)是被吸附物質(zhì)分子并未附著在吸附劑表面固定點(diǎn)上，卻能在界面上一定范圍內(nèi)自由移動，經(jīng)過物理吸附的微粒一般形成單分子層或多分子層�；钚蕴康奈锢砦街饕桥c表面積和孔結(jié)構(gòu)分布有關(guān)，孔壁的總表面積一般高達(dá)500~1700m2/g，與其他吸附材料相比，具有的小微孔（半徑為小于0.02nm）特別發(fā)達(dá)的特征，往往決定了活性炭的總比表面積；半徑為0.02~1nm的過渡孔表現(xiàn)重要的通道作；半徑為1~100nm可稱之為大微孔，這也是吸附物質(zhì)微粒的“入口”。這種吸附模式中，一種吸附劑往往可以吸附多種物質(zhì)，但由于吸附質(zhì)性質(zhì)不同，吸附的量也有所差別，例如下表列出了一定溫度和壓強(qiáng)下每立方厘米活性炭所能吸附的常見氣體的體積：
表1 不同氣體的相對分子質(zhì)量和被吸附體積
| 氣體 | 二氧化碳 | 氫氣 | 氧氣 | 氮?dú)? | 氯氣 |
| 相對分子質(zhì)量 | 44 | 2 | 32 | 28 | 71 |
| 被吸附體積/mL | 97 | 4.5 | 35 | 11 | 494 |
由表1可見，相同條件下，氣體的相對分子質(zhì)量越大，越易被活性炭吸附。初中化學(xué)課堂上常提及的“吸附屬于物理變化”就是這個道理，但是需要說明的是，這種觀念其實存在一定的偏頗，因為吸附過程中也可以發(fā)生化學(xué)變化。
2 活性炭的化學(xué)吸附性質(zhì)
活性炭表面的化學(xué)性質(zhì)較為特殊，主要由表面的官能團(tuán)種類和數(shù)量決定。活性炭表面往往存在如氧、氮、氫、硫、磷等雜原子，與表面邊緣的碳原子以及有缺陷碳環(huán)共同構(gòu)建成活性炭表面的各種官能團(tuán)，其中以含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)為主。其中含氟官能團(tuán)主要為：羧基、酚羥基、酮羰基、醌基、內(nèi)酯基等。一般各種官能團(tuán)其氧含量越高，氧原子的高電負(fù)性越有利于極性分子的吸附。
吸附劑和吸附質(zhì)之間靠化學(xué)鍵發(fā)生作用，發(fā)生的化學(xué)吸附多為放熱過程。此類化學(xué)反應(yīng)也需要大量的活化能，一般需在較高的溫度下進(jìn)行，吸附熱較大，在10~10千焦每摩爾范圍內(nèi)，由此可見化學(xué)吸附比較穩(wěn)定。與物理吸附不同，化學(xué)吸附屬于選擇性吸附——一種吸附劑只對某種或特定幾種物質(zhì)有吸附作用，因此是單分子層吸附，吸附容易飽和，之后便不能繼續(xù)下去。有的家庭聽取銷售人員建議，用活性炭來吸附家居中的污染氣體，當(dāng)吸附達(dá)到飽和狀態(tài)時，可以通過陽光暴曬加熱發(fā)生“脫附作用”，吸附質(zhì)和吸附劑分離開來。但是通過化學(xué)吸附所發(fā)生作用的物質(zhì)，僅僅靠太陽曬是很難脫附的，自然無法恢復(fù)性能。
3 活性炭的吸附模式
Langmuir和Freundlich模式是詮釋活性炭吸附的經(jīng)典模式。前者能較好地模擬活性炭單分子層的吸附，而后者則能較好的模擬活性炭的多分子層的吸附。Langmuir研究認(rèn)為固體表面的分子或原子存額外的化學(xué)鍵作用，它可以捕捉周邊的氣體分子，其作用范圍大概在分子直徑大小。Langmuir等溫方程也被成功地應(yīng)用于極稀的重金屬鹽溶液的吸附研究。
表面絡(luò)合模式（Surface Complex Formnation Model，SCFM）基于溶液中配位化學(xué)反應(yīng)平衡理論，有助于解釋活性炭對于金屬離子的吸附。把金屬陽離子在活性炭表面上的吸附看成是活性炭上的官能團(tuán)（羥基）與金屬陽離子之間的化學(xué)反應(yīng)。
三、活性炭吸附研究文獻(xiàn)綜述
1 活性炭對有機(jī)色素的吸附
(1) 對品紅溶液的吸附。品紅是一種玫苯胺二磺酸鈉鹽，稀水溶液呈紫紅色，溶液呈酸性。研究者用多種模型對品紅的吸附等溫線進(jìn)行模擬，結(jié)果表明Freundlich模型能較好的描述此類吸附過程，從而表明了酸性品紅的吸附為多層吸附。
實驗發(fā)現(xiàn)吸附速率會受品紅的濃度和修飾吸附劑表面活性位點(diǎn)數(shù)這兩個主要因素所控制。隨著品紅濃度的增加，品紅分子與吸附劑之間的有效碰撞機(jī)率也隨之增加，吸附劑的吸附容量增加。當(dāng)吸附劑表面的活性位點(diǎn)全被品紅所占據(jù)時，則吸附達(dá)到了飽和。而酸性品紅是一種帶有磺酸根的水溶性陰離子型染料，降低pH值，增加了活性炭表面正電點(diǎn)位的正電性和數(shù)目，有利于活性炭的吸附。另一方面，活性炭表面富含羧基、羰基及酚羥基等具有親質(zhì)子性的含氧基團(tuán)，降低pH值，活性染料更易被質(zhì)子化，導(dǎo)致吸附量增加。
(2) 對飲料色素的吸附。芬達(dá)等飲料色彩斑斕，都是由于添加了人工合成色素，多為含有苯環(huán)或氧雜蒽結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，結(jié)構(gòu)上分為：偶氮色素，如檸檬黃、誘惑紅等；三苯甲烷系色素，如亮藍(lán)等；氧雜蒽色素,如赤蘚紅等。對這類離子染料的吸附主要是由于其相互之間的靜電引力作用、氫鍵鍵合和范德華力作用，吸附劑表面羧基基團(tuán)的增加往往使吸附劑與陽離子之間的引力增加。
在焦糖色色素中，大分子結(jié)構(gòu)的顯色物質(zhì)較多，因此適宜孔徑較大的活性炭來吸附。對液相吸附過程的理論解析，認(rèn)為均勻分散在溶液中的吸附質(zhì)分子，像溶劑分子一樣，做不規(guī)則的熱運(yùn)動，吸附劑加到依溶液中后，由于這種熱運(yùn)動的作用，溶劑分子和吸附質(zhì)分子就一起進(jìn)入吸附劑的孔道中。由于吸附劑表面有范德華力和化學(xué)力，所以分子直徑和吸附劑孔道直徑相當(dāng)?shù)暮突瘜W(xué)結(jié)構(gòu)對吸附劑表面親和力大的吸附質(zhì)分子易被吸附，從而造成吸附質(zhì)從溶液向吸附劑的轉(zhuǎn)移。
由于吸附作用主要發(fā)生在吸附劑的孔隙中，因此吸附劑活性炭的孔徑-孔容分布狀況，決定了活性炭對吸附質(zhì)的選擇性吸附能力。焦糖直徑為2.8nm左右，所以能吸附焦糖活性炭較小孔原直徑范圍應(yīng)分別為2.8以及1-3nm左右，因此對焦糖吸附應(yīng)為2.8~8.5nm。
2 活性炭對有色金屬離子的吸附
金屬離子在活性炭上的吸附常常與吸附劑的表面官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)形成沉淀或配合物或進(jìn)行離子交換等，所以不可能像有機(jī)物分子一樣在吸附劑表面以吸附態(tài)形式自由地遷移。文獻(xiàn)中認(rèn)為金屬離子的吸附機(jī)理包括三步驟過程：金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的物理吸附；金屬離子在活性炭表面發(fā)生的離子交換反應(yīng)；重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)作用。
根據(jù)上述吸附機(jī)理，通過對重金屬離子鉛、鎘、銅等的吸附研究得出的吸附曲線說明，三種金屬離子在活性炭上的吸附屬單分子層吸附，屬于物理吸附和化學(xué)吸附并存，只要金屬銅離子充分接觸活性炭表面，并進(jìn)入空隙內(nèi)部，就能有效地被吸附，但當(dāng)吸附到達(dá)一定的時間后，吸附運(yùn)動基本達(dá)到一種動態(tài)平衡。
波濤活性炭廠家發(fā)現(xiàn)溶液的pH值從2.3升高到7后，活性炭對Cu2+的吸附去除率從10%升到95%。pH值低于此范圍時，活性炭對Cu2+的吸附相當(dāng)小。而在pH值為3~5的范圍內(nèi)，活性炭對Cu2+的吸附較為顯著。
隨著溶液中pH值的增加，活性炭對金屬離子的吸附量也在增加。在酸性環(huán)境中，吸附劑表面官能團(tuán)的質(zhì)子化作用要強(qiáng)于堿性環(huán)境。隨著溶液堿性的增強(qiáng)，溶液中金屬以離子的形式存在，因為0H-與吸附劑的親和力要大于金屬離子，所以隨著溶液中OH-離子的增多，使吸附劑表面的活性位點(diǎn)被OH-占據(jù)（競爭吸附作用），吸附劑表面的正電性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電性；同時，堿性環(huán)境還會對吸附劑表面的官能團(tuán)產(chǎn)生影響，影響重金屬離子的吸附效果，降低去除率。同時由于活性炭表面的官能團(tuán)為弱酸性活性炭上負(fù)電勢點(diǎn)增多，因而吸附量增多。過高的pH值會導(dǎo)致金屬氫氧化物沉淀的生成。
此外低溫范圍溫度對吸附容量影響不大，而且對金屬離子的吸附可達(dá)很好的效果；而當(dāng)溶液溫度高于50℃，由于分子熱運(yùn)動的加劇，容易破壞吸附平衡，吸附容量有所減小，表現(xiàn)為物理吸附特性。
3 活性炭對高錳酸鉀的吸附
高錳酸鉀改性后的活性炭的比表面積、孔容和孔徑均有增加，這是由于高錳酸鉀與炭表面吸附的還原性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體，促使被堵塞的微孔重新打開而形成新的微孔。
微孔孔容降低的程度比總孔容降低的程度要小，從而導(dǎo)致微孔孔容占總孔容的百分比增加。
四、總結(jié)
活性炭的吸附既有內(nèi)部因素,又有外因影響�；钚蕴繉儆诜菢O性材料，比表面積、表面官能團(tuán)決定其吸附性能。而活性炭的性質(zhì)與活性炭制造時使用的原料、加工方法及活化條件均有關(guān)系。外因主要是溫度、pH等因素。所以對于中學(xué)教師提出的實驗問題，還可以通過改變外因來做深入探究。