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        行業知識

        帶你科學認識活性炭

        活性碳(activated carbon)是一種黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳。所謂無定形碳是形容其內部的碳原子結構沒有固定的排列順序而言。實際上它的內部結構并不是真正的無定形體,而是具有和石墨(graphite)一樣結構的晶體,石墨是制作鉛筆筆心的材料?;钚蕴寂c石墨最大的不同,在于它的碳原子六角形環狀平面形成的層狀結構凌亂而不規則,晶體形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量雜質。主成分除了碳以外還有氧、氫、氮等元素。
        由于活性碳的碳原子,在結構上排列相當紛亂,如果我們將它的結構碎裂,用顯微鏡觀察,可以發現它的內部到處充滿縱橫交錯的細孔,這些細孔的尺寸,可以小到分子級大?。╩olecular dimensions,約0.1 nm直徑),因此它是一種多孔碳,堆積密度低,比表面積(specific surface area)大。
        活性碳的多孔隙結構,讓它具有極大的「比表面積」,此種表面積更賦予它具有最強烈的吸附能力,而能廣泛吸附許多化合物。在人類所制造的物質中,以活性碳的結構最具多孔性,或最具有物理吸附作用能力?;钚蕴嫉摹副缺砻娣e」可以超過1000 m2/g,如果依此計算,那么小小的5g中所擁有之表面積,將相當于一個足球場那么大。
        活性碳的吸附作用
        吸附(adsorption)是指液體或氣體附著集中于固體表面的作用,一般的活性碳都能發生這種作用。吸附與吸收(absorption)不同,吸收是指讓液體或氣體進入固體的內部的原子結構中,但活性碳并不具備這樣的能力,它的吸附作用只是一個表面現象,所以只發生于它的表面。
        吸附作用的形成,主要來自倫敦分散力(london dispersion forces),這也是另一種凡得瓦力(van der waals force)的表現形式。此種力普遍存在于不具有永久性偶極矩(dipole moment)的分子之間,它是一種自然的吸引力。只要分子足夠靠近,都會很自然產生這種作用力。凡是能利用此種力把物質吸住的作用,我們稱為物理吸附(physical adsorption)。此種作用力與溫度無關,因此不受溫度之影響。
        倫敦分散力必須在碳表面(carbon surface)與被吸附分子(adsorbate molecule)之間達到作用的距離之后才會發生,該力的大小涉及被吸附分子中所有相關原子與活性碳表面碳原子密切接觸的程度。如果接觸的程度越高,則該力越大,同時活性碳對該分子的吸附能力也越強。
        氣相及液相吸附
        活性碳對氣相(gas phase)的吸附作用,除了與其接觸表面積有關外,也與被吸附化合物的分壓(partial pressure)有關。當分壓高于該化合物的在活性碳表面的蒸氣壓時,該化合物會被逐漸縮合(condensation)在活性碳中,直到達到壓力平衡為止。反之,如果分壓較低時,一部分該化合物會從活性碳表面脫離,直到達到新的壓力平衡為止。
        活性碳對液相(liquid phase)的吸附作用與氣相有類似性質。它表現在吸附作用方面的能力,與被吸附化合物的溶合力(solvated force)有關。當被吸附化合物的在水中的溶合力小于吸附力(adsorbability)時,它就會被逐漸富集(concentrate)在活性碳中。這也說明,為何「疏水性」化合物在水中很容易被活性碳吸附而除去的主要原因。
        事實上,活性碳對物質的吸附能力,完全表現在倫敦分散力與氣相的蒸氣壓力,或與液相的溶合力之間,相互「角力」的結果。當倫敦分散力較大時,即可以表現出對氣體或液體分子的吸附力。由于氣相的蒸氣壓力及液相的溶合力,可因溫度的增加而加強,但倫敦分散力卻不受影響,因此可以利用加熱的方式,讓氣體或液體分子從活性碳表面脫離,這種逆向操作,我們稱之為脫附(deadsorption)。
        那些物質會被吸附
        有那些物質會被活性碳吸附呢(what compounds are adsorbed)?從活性碳的吸附原理可知,凡是大分子化合物,特別是一些大分子有機物在溶劑中是很容易被吸附的;另外,某些大分子量的無機化合物,像碘化物及汞化物,也能被活性碳吸附。
        一般而言,一定種類及比表面積相同的活性碳之吸附力,隨著以下因素而被強化:(1)化合物分子量增加時,(2)化合物具有高數目像雙鍵(double bonds)一類的官能基(functional groups),或高鹵化物(halogen compounds)時,(3)化合物分子的電子云(electron clouds)易形成瞬間極性(polarisability)者(注:此性質與倫敦分散力的產生有絕對關系)。由于這些因素的影響,導致有些物質很容易被活性碳吸附,但有些不會。
        離子性物質因具有永久性偶極矩(dipole moment),無法形在活性碳表面之間形成倫敦分散力,所以難以被吸附。水草的無機養分幾乎都是離子性物質,所以在水草缸使用活性碳,無機養分應該不受活性碳吸附作用之影響。
        化學吸附
        化學吸附(chemical adsorption)是指氣體或液體以類似于化學鍵之結合力,被吸附于活性碳表面的現象。此種吸附力之形成,可能是氣體或液體分子內的鍵裂開,或其雙鍵裂解,并與活性碳表層之碳原子產生新鍵之故。因此,具有選擇性,且吸附作用僅限于表層。不過,關于它的反應機構現在還有許多不清楚的地方。
        并非所有的活性碳都具有化學吸附能力,如果要使它具有此種吸附能力,必須進一步作「活化處理」,藉以清除活性碳中的雜質,這樣才能防止雜質干擾活性碳表面的碳原子與被吸附分子之間化學鍵的形成。這也是衡量活性碳吸附特性的重要指標之一。凡具有化學吸附性質的活性碳稱為「化學活性碳」。一般水族館所販賣者,通常不屬于這一種。
        化學吸附也能類似于物理吸附一般,具有脫附的性質。如果被吸附物質的脫附力(deadsorbability)大于其間的化學鍵力(bond forces),即能重新被釋放出來。與物理脫附相似,在高溫之下,脫附力可能大于化學鍵力而達到脫附之目的。不過不同于物理脫附者,被吸附的物質脫附之后,已經產生了化學變化,不再是原來的物質了。
        再生
        活性碳的脫附過程,我們稱為再生(regenerated)。當活性碳的脫附作用的吸附性減弱后,可以讓它「再生」后而能再繼續使用。由于物理吸附與化學吸附的平均焓(enthalpy)皆為負值(-δh),屬于放熱反應,因此再生通常不會在自然的情況下自動發生,必須將活性碳單獨取出另外做適當的處理。
        活性碳再生時,一般使用水蒸氣脫附再生。若僅針對物理吸附之再生,大約使用200-300℃之高壓水蒸氣在再生爐中加熱處理即可。由于化學吸附所產生的作用力,比物理吸附強,所以它所需脫附再生的溫度要高許多,例如,在操作時,它所需的高壓水蒸氣約至少高達400 ℃才能達到目的。在進行化學脫附的同時,也一并會進行物理脫附。
        活性碳再生是一種技術性的操作,同時必須在專門的設備中才能進行,所以我們似乎只需了解其原理即可,沒有必要真的嘗試去做。如果活性碳的吸附性已經喪失,建議淘汰,若還有需要使用,最好還是重新選購較為適當。

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