1 化學(xué)性質(zhì)
（ 1）元素組成
① 揮發(fā)分及灰分
對于活性炭及其原料炭化物中所含有的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量的測定，通常采用的方法是將試樣放在坩堝，避免與空氣接觸，在 900 ℃ 下加熱 7 min，求出加熱減量對試樣的質(zhì)量百分率，并從該百分率中減去同時進(jìn)行測定得到的水分值（干燥減量）以后，便得到試樣的揮發(fā)分含量。灰分（強(qiáng)熱殘分）的測定方法是將干燥過的試樣放在瓷坩堝中，在溫度調(diào)節(jié)至 800～900 ℃ 的高溫電爐中灰化，殘留物質(zhì)的質(zhì)量百分率作為灰分。固定碳是以干燥試樣作為 100 %，減去灰分與揮發(fā)分所得到的數(shù)值。
通常的活性炭由于是在溫度為 900 ℃ 以上制得的，所以揮發(fā)分很少。另一方面，原料炭化物的揮發(fā)分受炭化溫度的影響很大。研究表明，炭化溫度升高，揮發(fā)分含量減少；炭化反應(yīng)在 500 ℃ 以下劇烈進(jìn)行，在 600～700 ℃ 基本結(jié)束。固定碳含量的變化基本上與揮發(fā)分相對應(yīng)，在炭化反應(yīng)結(jié)束的 700 ℃ 以上基本不會再增加。灰分隨炭化得率的降低而增加。灰分是活性炭原料選擇方面的一個重要指標(biāo)。原料中的無機(jī)成分和金屬在炭化過程中幾乎不減少而最后殘留于炭產(chǎn)物中。原料中的灰分含量即使只有 1 %，活性炭的灰分含量將達(dá)到 10 %以上。由于灰分不具有吸附能力，因此該單位重量的活性炭吸附能力要比灰分含量為零的活性炭的吸附能力下降 10 %左右。所以在活性炭的選擇過程中，盡量要求其灰分含量最低。
② 元素分析
活性炭的元素組成通常可通過元素分析儀進(jìn)行測定。活性炭的元素組成 90 ％以上是碳，這就很大程度上決定活性炭是疏水性吸附劑。氧元素的含量一般為百分之幾，其一部分存在于灰分中， 另一部分在碳的表面以羧基、羥基、內(nèi)酯基等表面官能團(tuán)形式存在。
因此，這部分氧元素使活性炭具有一定親水性，而并非是完全的疏水性。因其親水性的存在，使得其能夠?qū)⒖紫秲?nèi)的空氣置換為水，進(jìn)而吸附溶解于水中的有機(jī)物，使活性炭用于水處理成為可能。
氮與硫的含量，在植物類原料的場合通常非常少。原料中含有的蛋白質(zhì)以及硫化物，在炭化及活化過程中，大部分會揮發(fā)掉，有時會有微量的殘留。殘存的微量氮原子，有時會提高活性炭的催化性能。
活性炭中的灰分含量，由于原料和制備過程的不同，而有顯著的差異。一般木質(zhì)類活性炭灰分的含量較少（一般＜5%）。當(dāng)原料灰分含量較大時，需要對原料進(jìn)行脫灰處理以后再生產(chǎn)活性炭。
③ 有害物質(zhì)
活性炭中的微量有害雜質(zhì)必須盡量加以控制。活性炭中存在的最主要的有害雜質(zhì)是砷。砷存在于自然界，使用煤、椰子殼以及木質(zhì)類原料時必須注意。土壤中的砷濃度太大，導(dǎo)致原料中的砷濃度也增大，而用這些原料生產(chǎn)的活性炭中砷的濃度就會超標(biāo)。所以，生產(chǎn)活性炭時對于砷要嚴(yán)格進(jìn)行控制。同時，對于近期使用各種廢棄物為原料生產(chǎn)活性炭，需要先進(jìn)行檢測此原料是否受到重金屬的污染。
（2） 表面氧化物
① 表面官能團(tuán)
碳是炭材料主要的成分，是非極性的，呈現(xiàn)疏水性。但由于生產(chǎn)過程的不同和使用的環(huán)境的差異，會使炭材料的表面性質(zhì)發(fā)生變化。炭材料容易被氧化劑比如氧氣、硝酸等氧化而產(chǎn)生表面官能團(tuán)。這些官能團(tuán)的生成會使炭材料的界面化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生多樣性。通過有機(jī)化學(xué)的方法可以測定炭材料中的官能團(tuán)。一般認(rèn)為，炭材料中的官能團(tuán)主要有羧基、內(nèi)酯型羧基、酚羥基和羰基。
圖 1活性炭表面含氧官能團(tuán)
活性炭表面還有可能還有含氮官能團(tuán)，其主要來源是制備活性炭使用的含氮原料以及制備工藝過程中的含氮化學(xué)試劑。經(jīng)測定，目前含氮官能團(tuán)主要有以下幾種：
圖2 活性炭表面含氮官能團(tuán)
② 含氧官能團(tuán)的測定方法
準(zhǔn)確測定稱量瓶質(zhì)量（ W1），然后準(zhǔn)確稱量 0.1 g 試樣于稱量瓶中，于 110 ℃ 下真空干燥 2 h，測定質(zhì)量（ W2）。將試樣放入 100 mL 錐形瓶，加入 50 mL 0.1 mol/L 的 NaOH水溶液， 25 ℃ 下于振蕩器中振蕩 48 h，同時做空白試驗。過濾并取濾液 20 mL，以甲基橙為指示劑， 采用 0.1 mol/L 的 HCl 溶液進(jìn)行滴定。表面表面官能團(tuán)含量可經(jīng)下式計算：
式中， Tb 為空白試驗中 0.1 mol/L HCl 溶液的體積， mL； T-0.1 mol/L HCl 溶液的體積， mL；W-試樣的質(zhì)量（ W2-W1）， g； f-0.1 mol/L HCl 溶液的修正系數(shù)。
用 0.05 mol/L Na2CO3 溶液、 0.1 mol/L NaHCO3 溶液重復(fù)上述步驟，并求得表面酸性官能團(tuán)數(shù)量，做差額運算可得出羧基、弱酸、酚羥基比例。
目前， Boehm 滴定法是目前最簡便常用的活性炭表面化學(xué)分析方法。該滴定法由Boehm H. P. 提出， 主要是根據(jù)不同的堿與不同表面含氧官能團(tuán)的反應(yīng)進(jìn)行定性與定量分析。根據(jù)堿的消耗量計算相應(yīng)含氧官能團(tuán)的含量。通常認(rèn)為 NaHCO3 中和羧基， Na2CO3中和羧基與內(nèi)酯基， NaOH 中和羧基、內(nèi)酯基與酚羥基， C2H5ONa 中和羧基、內(nèi)酯基、酚羥基與羰基。
2 功能
活性炭的吸附特性與其表面性質(zhì)有很大的關(guān)聯(lián)，而活性炭的表面性質(zhì)主要是由其表面存在的化學(xué)官能團(tuán)、雜原子以及化合物所決定，不同的表面化學(xué)性質(zhì)與吸附質(zhì)有明顯的吸附差別。因此，研究活性炭的表面官能團(tuán)，對其開發(fā)使用功能有很大的幫助。
活性炭由于其疏水性和非極性，所以在水溶液中選擇性的吸附非極性有機(jī)物質(zhì)，不吸附極性溶質(zhì)。利用這一性質(zhì)，通過表面官能團(tuán)的改性來改善其吸附特性。研究表明，活性炭的含氧官能團(tuán)中酸性基團(tuán)易吸收極性的化合物，堿性基團(tuán)則易吸附極性弱或者是非極性的物質(zhì)。增加其官能團(tuán)的極性，可以增強(qiáng)其對極性物質(zhì)的吸附性能；增加其表面的非極性，則可以增強(qiáng)對非極性物質(zhì)的吸附性能。所以通過改變活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)，使其有更強(qiáng)大、更全面的吸附功能。
