活性炭的化学结构

　　一、活性炭的元素组成

　　碳是活性炭的主要元素成分。以扣除灰分后的总重量为基准计算，通常碳含量在90％以上，氧含量在5％以下，氢含量小于2％。灰分中常见的金属元素有钙、镁、硅、锰、铁、铝、钾、钠等，常见的非金属元素有磷、氮、硫、砷、硼等。它们在活性炭中的存在状态对活性炭在催化、催化剂载体、电池的电极方面的应用具有较大的影响。酸洗和水洗是去除灰分的主要工业方法。氯化锌法生产的活性炭还含有少量的氯。

　　灰分的绝大部分能溶于酸，能用酸洗、水洗除去。如一种含灰分4.3%的活性炭用蒸馏水抽提后灰分减少到3.1%，进一步用醋酸抽提用蒸馏水洗涤，灰分减到1.7%,最后用氢氟酸抽提燕馏水洗涤，灰分只剩0.2%。工业上一般用盐酸处理。但酸洗会增加活性炭表面含氧络合物-活性炭的极性增加。

　　二、活性炭的表面化学结构

　　非碳元素的存在状态主要有两种，一种是与富于反应性的类石墨微晶端面上的碳原子或单个碳网平面边缘上的碳原子结合，形成表面化合物；第二种是以杂原子的形态进入类石墨微晶或游离的单个碳网平面的结构之中。

　　活性炭中的氧和氢大部分是以化学键和碳原子相结合形成有机官能团，它是活性炭组成的有机部分。松烟和活性炭中的氧含量较多，而且含有各种形态结合的氧，而焦炭和炭黑中几乎不含以醚类形式结合的氧。在松烟和炭黑试样中，常含有挥发物质，这些物质能和重氮甲烷和格林试剂起反应，所以，它的数值有偏大的情况。

　　大部分的氢是同碳原子直接结合的。据研究，炭中的氧、氢和其他原子是和基本微晶的边缘或角上的碳原子相结合，因为这些碳原子的化合价没有被周围的碳原子所饱和，因此，它们的反应性较大。同祥，在晶格有缺陷的位置L的碳原子，例如在扭歪的或不完整的碳的六角环上的碳原子，也有更大的反应性，因而趋向于和氧、氢等元素结合。

　　活性炭的表面氧化物的形成和种类

　　表面氧化物的形成：炭在活化时所含氢、氧不断减少，同时炭在活化过程也会吸附一些外来的氧，因此，可以认为，活化和对氧的吸附是同时进行的。活性炭吸附的氧，一部分是化学吸附，形成表面氧化物，当脱附时是以二氧化碳或一氧化碳的形式释放出来，这是由于生成的表面氧化物发生热分解。表面氧化物对活性炭吸附酸或碱影响很大，如把活性炭加入电解质溶液中，能引起溶液酸碱度的变化，这就是很好的说明。

　　表面氧化物的种类：根据对活性炭表面化学进行的研究，推测表而氧化物分为A、B、C三种模式：酸性氧化物（氧化物C）和碱性氧化物（氧化物A和B)。在活性炭材料表面可能存在下面含氧官能团：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、醌基、内酯基、乳醇基、醚基。