Пористая структура активированного угля, размеры и форма пор - изучение и классификация
Начало изучения.
В начале 20 века ученые стали пытаться изучать структуру активированного угля. Это оказалось чрезвычайно сложно ввиду сверхмалых размеров структурных элементов.
Изначально исследователи считали активные угли аморфной разновидностью углерода.
Однако после рентгеноструктурного анализа выяснилось, что активные угли состоят из кристаллитов углерода размером 1 – 3 нм. Поэтому теперь активированный уголь относят к группе микрокристаллического углерода.
Обычные графитовые кристаллы структурно состоят из микроскопических пластин (слоев) в виде шестичленных углеродных колец упорядоченных между собой в регулярную кристаллическую решетку.
Эти углеродные пластины беспорядочно сдвинуты относительно друг друга. Расстояние между слоями несколько больше, чем у графита.
Кристаллит активного угля составляет «пачка» из 3 - 4 пластин. Диаметр пластины 2 – 2,5 нм, иногда больше. Высота «пачки» 1 – 1,3 нм.
Тем не менее, помимо кристаллитов, активные угли содержат о 1/3 до 2/3 аморфного углерода, довольно большое количество гетероатомов кислорода и некоторых других свободных элементов.
Неоднородная масса кристаллитов графита и аморфного углерода образует своеобразную структуру, содержащую щели и трещины (поры) между частицами шириной 10-6 – 10-8 м. Эти поры стали называть «микропорами», а большие полости диаметром до 1 мкм – «макропорами».
Некоторые поры не сообщаются с наружной поверхностью, они называются «криптопорами» и для адсорбционной способности угля не имеют никакого значения.
Деление всех пор на «микро» и «макро» оказалось слишком грубым с точки зрения анализа процессов сорбции, проходящих в активированном угле.
Поэтому впоследствии классификация была усовершенствована:
- микропоры – тончайшие поры, которые заполняются адсорбтом при низких парциальных давлениях до капиллярной конденсации;
- переходные (мезопоры) – в них происходит капиллярная конденсация;
- макропоры – транспортные поры большого размера в которых уже не возможна капиллярная конденсация.
Сейчас классификация пор по диаметру в соответствие с нормами Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC) выглядит так:
- менее 0,4 нм – субмикропоры;
- 0,4 – 2 нм – микропоры;
- 2 – 50 нм – мезопоры;
- больше 50 нм – макропоры.
Форма пор активированного угля.
Условная классификация пор по диаметрам удобна в качестве инструмента, но, конечно, поры не имеют строгой цилиндрической формы.
На самом деле в активированных углях преобладают поры V-образные, щелевидные и неправильной формы. При отдельных процессах активации образуются бутылкообразные поры с узкими входами.
В большинстве промышленных активированных углей всегда присутствуют поры разных форм и размеров. В зависимости от исходного материала и технологии активации могут быть, например, крупнопористые угли со значительным количеством микропор, тонкопористые угли, которые помимо микропор имеют и крупные поры.
