?顆粒活性炭是一種多孔性吸附劑，由碳質原料（如椰殼、果殼、煤質等）經炭化、活化等工藝精制而成，具有發(fā)達的孔隙結構、巨大的比表面積和優(yōu)異的吸附性能。顆粒活性炭的吸附原理主要基于其獨特的物理結構和化學性質，通過物理吸附和化學吸附兩種機制共同作用，實現對多種物質的高效去除。以下是具體分析：
一、物理吸附：基于孔隙結構的分子間作用力
孔隙結構的作用
顆粒活性炭具有發(fā)達的孔隙結構，包括微孔（<2nm）、中孔（2-50nm）和大孔（>50nm）。這些孔隙提供了巨大的比表面積（通常為500-1500平方米/克），形成大量吸附位點。
微孔：主要吸附小分子物質（如氣體、揮發(fā)性有機物），貢獻大部分比表面積。
中孔：吸附中等分子物質（如部分有機物、染料），同時作為微孔與大孔的通道。
大孔：吸附大分子物質（如膠體、蛋白質），并作為物質進入內部孔隙的通道。
分子間作用力（范德華力）
當污染物分子靠近活性炭表面時，會因分子間作用力（如色散力、誘導力、取向力）被吸附到孔隙內。這種吸附是可逆的，即通過升溫或減壓可脫附再生。
適用場景：去除水中的有機物、異味、余氯，以及空氣中的甲醛、苯等揮發(fā)性有機物。
二、化學吸附：基于表面官能團的化學反應
表面官能團的作用
活性炭表面含有羥基（-OH）、羧基（-COOH）、酚羥基等官能團，這些基團可與某些污染物發(fā)生化學反應，形成化學鍵，從而增強吸附效果。
酸性官能團（如羧基）：易吸附堿性物質（如氨氮、重金屬離子）。
堿性官能團（如吡喃酮）：易吸附酸性物質（如酚類化合物）。
氧化還原反應
部分官能團具有氧化還原性，可與污染物發(fā)生電子轉移，改變其化學性質。例如：
吸附重金屬離子（如汞、鉛）時，官能團可能將其還原為低毒或無毒形態(tài)。
吸附有機物時，可能引發(fā)開環(huán)、斷鏈等反應，降低其毒性。
適用場景
去除水中的重金屬離子（如鉻、鎘）、有機污染物（如農藥、染料）。
脫除空氣中的硫化氫、二氧化硫等酸性氣體。
三、物理吸附與化學吸附的協(xié)同作用
分層吸附機制
污染物分子首先通過物理吸附進入活性炭的孔隙結構，隨后與表面官能團發(fā)生化學吸附，形成多層吸附網絡。這種協(xié)同作用顯著提高了吸附容量和選擇性。
示例：吸附水中的苯酚時，苯酚分子先通過物理吸附進入微孔，再與表面羥基發(fā)生氫鍵作用，形成穩(wěn)定的化學吸附。
孔隙結構與官能團的匹配性
微孔適合吸附小分子，中孔和大孔為化學吸附提供反應空間。
官能團的種類和分布影響對特定污染物的吸附效果。例如，含羧基的活性炭對重金屬離子吸附能力更強。
四、影響吸附效果的因素
活性炭性質
比表面積：比表面積越大，吸附位點越多，吸附容量越高。
孔隙結構：孔徑分布需與污染物分子大小匹配，以提高吸附效率。
表面化學性質：官能團的種類和數量決定對特定污染物的選擇性。
污染物性質
分子大小：小分子易進入微孔，大分子需依賴中孔和大孔。
極性：極性分子易被極性官能團吸附，非極性分子則依賴范德華力。
溶解度：溶解度低的污染物更易被吸附。
環(huán)境條件
溫度：升溫通常降低物理吸附容量（因分子熱運動加劇），但可能促進化學吸附。
pH值：影響官能團的電離狀態(tài)，從而改變對酸堿污染物的吸附能力。
共存物質：其他污染物可能競爭吸附位點，降低目標污染物的去除率。