活性炭吸附和脱附原理
一、活性炭的分类
1、按活性炭的形状分类
形状特征
粉状活性炭除了以木屑等为原料生产的粉状活性炭以外，还包括颗粒活性炭的粉化产物等颗粒活性炭从形状上可分为破碎状、圆柱状、球状、中空微球状等几种
破碎状炭椰壳活性炭、煤质活性炭属于此类。活性炭的外表面因破碎而具有棱角
球形炭有将炭化物作成球形以后再活化及以球形树脂为原料生产的活性炭两种
纤维状活性炭以纤维状的物质为原料制成的活性炭。有丝状、布状及毡状几种
2、按活性炭的制造方法分类
活化方法活化剂
化学药品活化法活性炭氯化锌、磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠等化学药品
强碱活化法活性炭氢氧化钾、氢氧化钠等
气体活化法活性炭水蒸气、二氧化碳、空气等
水蒸气活化法活性炭水蒸气
3、按活性炭的机能分类
活性炭机能
高比表面积活性炭比表面积为2500m 2 /g以上的高比表面积活性炭，用强碱活化法制造分子筛活性炭孔径非常小，用于分离气体
添载活性炭在活性炭上添载上金属盐之类各种化学药品，用于脱臭、触媒等场合
生物活性炭水处理的方法之一。使活性炭表面形成微生物膜，通过微生物的分解作用进行净化。与臭氧处理配合，用于净水的高度处理
二、活性炭吸附原理
活性炭的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
1、物理吸附
主要发生在活性炭去除液相和气相中杂质的过程中。活性炭的多孔结构提供了大量的表面积，从而使其非常容易达到吸收收集杂质的目的。
其中起主要作用的是分子之间相互吸附作用力，也叫“范德瓦引力”。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。
就像磁力一样，所有的分子之间都具有相互引力（活性炭内部的C分子受到四面八方的力，受力均衡；而活性炭表面C分子只受到内部的力，受力不平衡，合力指向内部，故活性炭有吸附外界分子来平衡内部力的趋势，从而附近的分子在活性炭表面富集）。正因为如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力，从而达到将介质中的杂质吸引到孔径中的目的。
必须指出的是，这些被吸附的杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径，这样才可可能保证杂质被吸收到孔径中。这也就是为什么我们通过不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔径结构的活性炭，从而适用于各种杂质吸收的应用。
2、化学吸附
除了物理吸附之外，化学反应也经常发生在活性炭的表面。活性炭不仅含碳，而且在其表面含有少量的化学结合、功能团形式的氧和氢，例如羧基、羟基、酚类、内脂类、醌类、醚类等。这些表面上含有地氧化物或络合物可以与被吸附的物质发生化学反应，从而与被吸附物质结合聚集到活性炭的表面。
3、因此，活性炭的吸附正是上述二种吸附综合作用的结果。
当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时,即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时,此时被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不再变化,而达到了平衡,则此时的动平衡称为活性炭吸附平衡,此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。
三、活性炭是否可以吸附水分子？
首先，活性炭会吸附水分子。
活性炭为非极性分子，水为极性分子；极性与非极性分子间存有色散力和诱导力，因而会相互吸附。我们一般不提活性炭对水的吸附，因为在“三废”处理中，我们只关注活性炭对污染物的去除效果。在研究上往往就针对污染物展开。
其次，以下对活性炭吸附做几点说明：
1、活性炭中的C-C键是非极性键，活性炭分子可看成非极性的；
活性炭表面虽然也存在羧基、羟基等极性键，但相对于C-C键而言少得多。
2、水为极性分子，气体大部分为非极性分子。
“相似相容原理”运用到这里的话，可理解为：活性炭对非极性的气体和非极性杂质的吸附作用更强，而对水等极性分子的吸附作用较弱。（活性炭对极性分子的吸附主要通过活性炭表面极性键）
3、水溶液中的水分子有个很特殊的性质：氢键。水分子间通过氢键相互结合，氢键的强度非常大；水
分子-水分子作用力>>活性炭-水分子作用力。
4、活性炭置于水溶液时：水分子之间通过氢键相互吸引，使非极性杂质分子和活性炭被相对孤立；活
性炭通过吸附杂质分子来减低表面过剩的自由能。（活性炭内部的C分子受到四面八方的力，受力均衡；而活性炭表面C分子只受到内部的力，受力不平衡，合力指向内部，故活性炭有吸附外界分子来平衡内部力的趋势，从而附近的分子在活性炭表面富集。）
四、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，（温度升高，分子运动加剧）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。