活性炭吸附作用的机理

      活性炭可被视为一种由数百万孔隙（相当于“由分子组成的海绵”）提供了惊人表面积的材料。

      通过化学力和/或物理力将流体分子富集到这种表面上的过程称为“吸附”；而“吸收”则是一个流体分子被选定的液体或固体材料吸纳并分散到液体或固体吸收剂中的工艺过程。

      在物理吸附过程中，吸附质分子由于弱的范德华力（这种力产生于分子之间的吸引作用）被吸持到活性炭的表面上，而活性炭和吸附质的化学结构均未发生改变。而在化学吸附过程中，吸附质分子与活性炭的表面（或活性炭表面负载的浸渍剂）之间发生化学反应，并以非常强烈的化学键合力被活性炭吸持。

      通常情况下，为了达到吸附目的，活性炭中必须含有与待吸附分子尺寸相当的孔隙。由吸附了吸附质分子的周围孔壁对应产生的吸附力能够达到最大值，且应当大于分子的能量级。

      例如，当采用微孔型椰壳活性炭进行脱色时，脱色能力很低，其原因是着色分子或色素分子一般是较大的分子，不能经由尺寸比它小的通道进入微孔内部。而椰壳活性炭对小分子物质的吸附效果极佳。另一个例子是稀有气体氪和氙易于被椰壳活性炭吸附，而在大孔型炭如木质活性炭中则易于脱附。

      当孔隙内部发生吸附质的“液相填充”时活性炭的吸附能力达到最高值。在极高蒸气压力条件下，甚至在中孔（2.5nm）内部也会由于吸附质的多层吸附而引起“毛细管凝聚”（即“液相填充”）现象。

      在恒温状态下，绘制“吸附量～吸附压力关系图（对于气相吸附）”或“吸附量～浓度关系图（对于液相吸附）”，获得的曲线即“（吸附）等温线”。

      对于同系化学物质来说，活性炭吸附量可随着压力的增大而增加，也可随吸附质分子量的增大而增加。因此，活性炭对甲烷的吸附量要低于丙烷（对甲烷的吸附更困难些）。

      设计一个含有多种吸附质组成成分的独特吸附系统时，记得这一事实规律是很有益处的。

      含多种吸附质成分的活性炭吸附系统达到吸附平衡后，经常会发现在所有吸附质都达到平衡之前，那些分子量较大的吸附质是优先被吸附的成分。这种现象被称为“竞争吸附”或“优先吸附”，最早被吸附的小分子量物质被随后吸附的大分子量物质替代，前者重新从吸附剂的表面脱附。

      发生于蒸气相中的物理吸附会受到一些外部工艺参数如温度和压力的影响。在较低温度和较高压力条件下，吸附效率更高，原因是在这样的工艺条件下吸附质分子的运动能力较低。这种影响也存在于含水分和有机物的体系中，水分子易于被炭的表面吸附，但是当可在活性炭表面优先吸附的有机物到达时水分子则会被及时脱附出来。发生竞争吸附的原因一般是由于分子尺寸的不同而引起的，同时分子电荷的差异也是引起这种现象的一个不容忽视的原因。

      通常来说活性炭的表面会排斥带电荷的物质，相对于多数有机分子，水是高荷电性物质形态（易于离子化），故活性炭对有机分子的吸附会优先发生。与叔胺化合物相比，伯胺化合物的氮原子几乎不带电荷；而相比于仲胺化合物，叔胺化合物的氮原子荷电量要少一些。因此伯胺比仲胺化合物更易于被活性炭吸附。

      可依此预测，活性炭对那些不带电荷的大分子物质的吸附量水平会更高些；而那些高荷电的小分子物质则不容易被活性炭所吸附。

      分子的形状也会影响吸附，但这通常被视为一个次要的因素。

      对于那些仅能被活性炭以低水平量进行物理吸附的物质（如氨气、二氧化硫、硫化氢、汞蒸气以及甲基碘等），可以忽略操作条件变化对吸附量的影响。提高活性炭对这些物质吸附量的办法，可采取选用能与吸附质发生化学反应的特殊化合物（或其前驱体物质）来浸渍活性炭。

      由于活性炭含有非常巨大的表面（一只鞋子内装入的活性炭颗粒，其表面积大约为1/2平方英里！），涂镀的浸渍剂可在如此巨大的面积上完全分散，因此吸附质分子被浸渍的化合物捕获并反应的机率极高。这种除去吸附质的机理被称为“化学吸附”。

      与物理吸附完全不同，被活性炭表面化学吸附的物质已发生了化学结构的改变，已不可能再以原初的物质形态从活性炭中脱附出来（脱附物已不是原来的组分，而是其与浸渍剂的反应产物）。这种方法已应用到许多工业过程，尤其是工业催化领域，采取将催化活性组分分散到活性炭表面的方法来大幅提高催化剂的能力。