活性炭吸附原理

1、依靠自身独特的孔隙结构  

活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，1克活性炭材料中微孔，将其展开后表面积可高达800－1500平方米，特殊用途的更高。也就是说，在一个米粒大小的活性炭颗粒中，微孔的内表面积可能相当于一个客厅面积的大小。正是这些高度发达，如人体毛细血管般的孔隙结构，使活性炭拥有了优良的吸附性能。  

2、分子之间相互吸附的作用力  

也叫“凡德瓦引力”。 虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响，但它在微环境下始终是不停运动的。由于分子之间拥有相互吸引的作用力，当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子之间相互吸引的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。 

活性炭脱附的几种方法 

（1）升温脱附。物质的吸附量是随温度的升高而减小的，将吸附剂的温度升高，可以使已被吸附的组分脱附下来，这种方法也称为变温脱附，整个过程中的温度是周期变化的。微波脱附是由升温脱附改进的一种技术，微波脱附技术已应用于气体分离、干燥和空气净化及废水处理等方面。在实际工作中，这种方法也是最常用的脱附方法。

（2）减压脱附。物质的吸附量是随压力的升高而升高的，在较高的压力下吸附，降低压力或者抽真空，可以使吸附剂再生，这种方法也称为变压吸附。此法常常用于气体脱附。

（3）冲洗脱附。用不被吸附的气体(液体)冲洗吸附剂，使被吸附的组分脱附下来。采用这种方法必然产生冲洗剂与被吸附组分混合的问题，需要用别的方法将它们分离，因此这种方法存在多次分离的不便性。

（4）置换脱附。置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将被吸组分置换下来。其后果是吸附剂上又吸附了置换上去的物质，必须用别的方法使它们分离。例如，活性炭对Ca2+、C1-有一定的吸附能力，这些离子占据了吸附活性中心，可对活性炭吸附无机单质或有机物产生不利影响。因此，用活性炭吸附待分离溶液中的物质后，选用CaCl2作为脱附剂可降低活性炭对吸附质的吸附稳定性，从而达到降低脱附活化能的目的。

（5）磁化脱附。由于单分子水的性质比簇团中的水分子活泼得多，能充分显示它的偶极子特性，从而使水的极性增强。预磁处理能增大水的极性，这就能充分解释经过预磁处理后活性炭的吸附容量减小的现象。当磁场强度增大时，分离出的单个水分子越多，则阻碍作用就越大，从而吸附容量减小得也就越多。活性炭本身为非极性物质，活性炭的表面由于活化作用而具有氧化物质，且吸附剂是在湿空气条件下活化而成，它使活性炭的表面氧化物质以酸性氧化物占优势，从而使活性炭具有极性，能够吸附极性较强的物质。由于这些带极性的基团易于吸附带极性的水，从而阻碍了吸附剂在水溶液中吸附非极性物质。这种方法常用于溶液中对吸附质的脱附。

（6）超声波脱附。超声波(场)是通过产生协同作用来改变吸附相平衡关系的，在超声波(场)作用下的吸附体系中添加第三组分后，体系相平衡关系朝固相吸附量减少方向移动的程度大于在常规条件下的吸附体系。根据超声波的作用原理推测，可能是因为第三组分改变了流体相的极性，增加了空化核的表面张力，使得微小气核受到压缩而发生崩溃闭合周期缩短的现象，从而产生更强烈的超声空化作用。因此，在用活性炭吸附待分离溶液中的物质后，可以用超声波(场)产生协同作用来改变吸附相平衡关系，降低活性炭对吸附质的吸附稳定性，从而达到降低脱附化能的目的。

活性炭吸附法脱氮是用活性炭作吸附剂吸附去除尾气中NOX的技术。活性炭能吸附NO2，还能促进NO氧化成NO2。特定品种的活性炭还可使NOX还原为N2。活性炭可定期用碱液再生。NOX尾气中氮含量大有利于吸附；水分的存在亦有利于吸附，湿度大于50%时，这种影响更为显著。活性炭吸附法可同时脱附尾气中的硫氧化物。在300℃以上活性炭有自燃的可能，给吸附和再生造成困难，限制了它的应用。

木林森活性炭结合实践 浅谈对电容炭的认识

阅读：2397次    日期：2017/11/10

   超级电容器（supercapacors or ultracapacitors）通常又称为电化学电容器（electrochemical capacitors,ECs）,是一种介于电池和传统电容器之间的兼备二者特点的新型储能器件。根据储存静电能量机理的不同，可以分为双电层电容器和赝电容电容器两大类。双电层电容器是最先出现的超级电容器。自1975年美国通用电器公司申请了第一个以多孔炭为电极材料的双电层电容器专利以来，各国对双电层电容器进行了大量的研究工作。双电层理论最早于1879年由德国人Helmoholtz提出，认为金属表面上的静电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量于电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这样充电界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，从而形成双电层。双电层电容器在充放电时不发生化学反应，电能的储存或释放主要是通过建立静电场的物理过程来实现的。它的电解液和电极也基本不会发生老化现象，所以具有长的使用寿命。

双电层电容器一般都采用有较高比表面积的碳材料作为电极材料，碳电极材料主要有：活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯等。活性炭是双电层电容器使用最广泛的一种电极材料，因为活性炭用于超级电容器中有以下的优点：比表面积很大、空隙结构发达、能够吸附大量的电解质溶液；在各种酸性和碱性电解液中的化学稳定性较高；在很宽的温度范围内性能稳定；便于加工成各种形状的电极；且价格低廉、来源丰富；不含重金属，不会对环境造成污染等。

炭材料的性质对电容器的性能有很大影响。根据双电层产生机理，用作双电层电容器电极的碳材料应当具有利于电荷积累的大比表面积和便于电解液润湿及离子快速运动的孔结构。根据IUPAC的规定，孔径＞5nm的孔为大孔，孔径介于2-5nm之间的孔为中空，孔径＜2nm的则为微孔。对于活性炭的孔隙结构，一般这样认为：大孔上分叉的连有许多中孔，中孔上分叉的连接有许多微孔，微孔上又分叉的连接许多超微孔。活性炭的表面积由大孔、中孔和微孔表面组成。大多数活性炭材料的大孔表面积不到2㎡，与中孔和微孔相比可以忽略不计，故可认为活性炭的表面积由微孔表面积和不包括微孔的外比表面积组成。除了不同的孔隙结构外，炭材料表面的各种有机官能团也可能对电极性能产生影响。以下是炭材料的性质对电容器性能的影响。

1、比表面积

根据双电层理论，双电层电容器的电极界面越大，所积累的电荷也就越多，所以具有较高比表面积且电化学惰性的炭材料受到格外重视。经过对不同活性炭电极的比容量、单位孔容及平均孔径的测试和分析发现，比容量和比表面积并不呈直线关系。有些活性炭的比表面积虽然小，但其电极的比容量却比一些比表面积大的活性炭电极的更大。其原因可能是：①从不同的前驱体，经不同的活化工艺和后处理过程得到的炭材料，即使用吸附法测得的比表面积和孔径分布相近，但可形成双电层电容的有效面积也可能不同；②离子，尤其是水合离子和大的有机离子不能进入孔径很小的微孔，所以这些小微孔对双电层电容没有做出贡献，其表面积属于无效表面积；③各种电解液中离子的尺寸不同，这就使不同的电极中可利用的最小微孔的孔径不同。

2、孔径分布

对于以微孔为主的炭材料，电解液的可润湿性在很大程度上影响了炭材料的电化学性能。如果活性炭的孔入口细小而内部大，类似于墨水瓶的结构，则电解液不能润湿，内部孔表面不能利用。微孔孔径较大的炭材料具有高比电容和良好的高倍率放电特性。在KOH电解液中，有较大微孔孔径的活性炭材料更有利于电解液离子的进入，而增大微孔孔容会导致比电容的下降。

3、表面化学性质

炭材料表面的有机官能团对其电化学性能有很大影响，不同前驱体制备的炭材料表面官能团不同，对比电容的影响也不同。一方面，有机官能团可以改善炭材料的表面润湿性，增加法拉第赝电容，使比容量增大；另一方面，有机官能团的存在会增加电极的内阻，法拉第反应可能会使漏电流增大，降低电容器的储能性能。有研究发现，热解产物为CO的官能团，如羟基、羰基、醌基等有助于提高炭材料的比容量，而热解产物为CO的官能团，如羧基、内酯基等则会阻碍界面的充电过程，降低比容量。

4、导电性

使用电导率高的炭材料有利于提高电化学电容器的比功率。炭材料的电导率首先与其密度有关，在深度活化以提高多孔炭比表面的同时，电导率将随密度下降而下降。另外，炭材料电导率还与石墨化程度有关，这主要取决于原料炭石墨化的难易程度和处理温度。

5、润湿性

对于无机电解液体系的电化学电容器来说，炭电极材料对水的润湿性能十分重要，这关系到电解液能否容易进入到炭材料中以形成双电层。一般，多空炭材料的电导率随炭材料比表面积的增加而降低。一方面是由于随着比表面积的增大，材料微孔壁上的碳含量降低。另一方面，多孔碳材料的电导率与炭材料之间的接触面积以及碳颗粒所处的位置都有密切的关系。同时，由于炭材料的微孔以及碳颗粒之间的空隙中浸渍有电解液，而双电层则在炭材料表面和电解液间形成，因此，多孔炭材料能否被电解液充分浸润就对提高电容器容量、降低电容器内阻有非常重要的作用。

从成本和性价比考虑，活性炭是双电层电容器的首选电极材料。对于水系电解质体系来说，对形成双电层起作用的主要是活性炭中的微孔和小中孔的炭表面，对非水系电解质体系，则要求电极材料的孔径更大一些，因为孔径太小，电解质离子无法进入或迁移扩散速度很慢，难以达到炭表面，无法形成双电层；但是孔径太大也不利，孔径增大，炭表面的吸附力下降，吸附电解质离子形成双电层的有效性也下降。所以必须采取合适的技术手段来调控活性炭的比表面积、孔径和孔径分布，使活性炭的孔径分布主要集中在与电解质离子大小相匹配的范围内，易于电解质离子在炭表面的迁移，以提高活性炭表面积的利用率，形成更有效的双电层。

除了孔结构和比表面大小的影响，炭材料的表面化学性质对其双电层电容性能也有较大影响，这些影响具有两重性。一些官能团对提高炭材料的电化学性能有积极作用，如改善表面的润湿性、增加法拉第赝电容；同时也有副作用，如稳定性降低、电阻率增加。因此，提高电化学性能可通改变炭表面化学性质得以实现。对炭材料的表面修饰改性，引进表面含氧官能团或沉积微量金属氧化物是改变炭材料表面化学性质的有效途径。

木林森活性炭江苏有限公司通过近两年的试验与探索，以高级纯椰壳为原料，经过自主研发的炭化活化工艺，可实现对椰壳活性炭孔径分布和比表面积的调控，通过调整工艺参数，可以根据需要制备出具有特定孔径和比表面积的炭材料。在此基础上再对椰壳活性炭材料进行表面改性处理，显著提高了活性炭材料的电化学性能，活性炭表面的亲水性明显提高、灰分降低，交流阻抗测试显示表面改性改善了活性炭电极的频率响应特性，使炭材料的比容量增大。