摘要：活性炭常被用于有機物、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理主題進行文獻綜述，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)文獻結(jié)果進行解釋。

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。活性炭孔隙結(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。活性炭微孔面積大，表面的酚羥基、羧基官能團越豐富，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，特點是被吸附物質(zhì)分子并未附著在吸附劑表面固定點上，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。活性炭的物理吸附主要是與表面積和孔結(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

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，其中以含氧官能團和含氮官能團為主。其中含氟官能團主要為：羧基、酚羥基、酮羰基、醌基、內(nèi)酯基等。一般各種官能團其氧含量越高，氧原子的高電負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，當吸附達到飽和狀態(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（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綜述

1 活性炭對有機色素的吸附

(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率也隨之增加，吸附劑的吸附容量增加。當吸附劑表面的活性位點全被品紅所占據(jù)時，則吸附達到了飽和。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，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)則的熱運動，吸附劑加到依溶液中后，由于這種熱運動的作用，溶劑分子和吸附質(zhì)分子就一起進入吸附劑的孔道中。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?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進行反應(yīng)形成沉淀或配合物或進行離子交換等，所以不可能像有機物分子一樣在吸附劑表面以吸附態(tài)形式自由地遷移。文獻中認為金屬離子的吸附機理包括三步驟過程：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發(fā)生化學(xué)作用。

根據(jù)上述吸附機理，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，并進入空隙內(nèi)部，就能有效地被吸附，但當吸附到達一定的時間后，吸附運動基本達到一種動態(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，吸附劑表面官能團的質(zhì)子化作用要強于堿性環(huán)境。隨著溶液堿性的增強，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)樨撾娦裕煌瑫r，堿性環(huán)境還會對吸附劑表面的官能團產(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為弱酸性活性炭上負電勢點增多，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很好的效果；而當溶液溫度高于50℃，由于分子熱運動的加劇，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。活性炭屬于非極性材料，比表面積、表面官能團決定其吸附性能。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。