通常，活性炭顆粒中的孔隙占顆?？傮w積的70～80%，比表面積一般高達(dá)500～1700m2/g?？紫缎螤疃鄻樱讖椒植挤秶鷱V，且炭表面含有多種官能團(tuán)。這些孔隙結(jié)構(gòu)（孔形狀、孔徑及分布）和表面化學(xué)性質(zhì)決定了活性炭的吸附性能，在很大程度上影響著白酒的降度除濁和對(duì)廢水的處理效果。

　　本文采用5種活性炭作為吸附劑，利用比表面孔徑測(cè)定儀測(cè)定樣品活性炭的低溫氮吸附脫附等溫線，采用標(biāo)準(zhǔn)BET方程計(jì)算比表面積，t圖法和BJH法計(jì)算微孔、中孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，DFT法計(jì)算全孔分布。通過(guò)測(cè)定樣品紅外光譜，分析活性炭的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行Boehm滴定，分析和計(jì)算活性炭表面酸性基團(tuán)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果分析并比較5種活性炭的孔結(jié)構(gòu)、吸附性能及表面化學(xué)性質(zhì)，為釀酒業(yè)使用吸附劑提供參考。

　　1.材料與方法

　　1.1 活性炭

　　1#：粉狀，杭州藍(lán)天工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)用品廠，市售；

　　2#：粉狀，廣東臺(tái)城化工廠，市售；

　　3#：粉狀，上?；钚蕴繌S（A），市售；

　　4#：粉狀，上?；钚蕴繌S（B），市售；

　　5#：粉狀，廣東臺(tái)山粵橋試劑廠，市售。

　　1.2 方法

　　1.2.1 樣品預(yù)處理

　　活性炭過(guò)250目篩，于105℃下干燥至恒重，移至干燥器內(nèi)備用。

　　1.2.2 孔結(jié)構(gòu)性能測(cè)定

　　采用美國(guó)Micromeritics公司ASAP 2010型比表面積與孔徑快速測(cè)定儀，以高純氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，活性炭為吸附劑，在77.35K溫度下測(cè)定平衡壓力P與飽和壓力P0之比為0.0095～0.99范圍內(nèi)的氮?dú)馕襟w積?；钚蕴繕悠窚y(cè)試前先經(jīng)過(guò)1h、90℃的真空處理，然后迅速升溫到200℃，恒溫真空處理2h后進(jìn)行測(cè)試。

　　1.2.3 表面化學(xué)性質(zhì)分析

　　采用上海CANY公司W(wǎng)QF-200型傅立葉變換紅外光譜儀，將活性炭樣品攙雜KBr壓片測(cè)定活性炭樣品紅外光譜。

　　采用Boehm滴定法，測(cè)得活性炭樣品表面含氧基團(tuán)含量。

　　2.結(jié)果與分析

　　2.1 活性炭的孔結(jié)構(gòu)分析

　　2.1.1 吸附等溫線

　　5個(gè)樣品的氮吸附脫附等溫線見圖1～圖5。

　　由圖1～圖5可知：2#、3#、4#、5#樣品的等溫線屬于IUPAC分類（國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(huì)，International Union of Pure and Applied Chemistry）中典型的Ⅰ型吸附等溫線。相對(duì)壓力P/P0＜0.1時(shí)，這4種樣品的吸附量隨相對(duì)壓力的增大而迅速上升；P/P0＞0.1時(shí)，這4種樣品的吸附量隨相對(duì)壓力的增加而上升的趨勢(shì)變緩。在較高分壓處出現(xiàn)滯后回環(huán)和拖尾，表明4種樣品中的孔隙以分布較為集中的微孔為主，含有一定量的中孔和大孔。在低相對(duì)壓力時(shí)，主要發(fā)生微孔填充，此后，隨著P/P0的增大，出現(xiàn)了多層吸附，隨后，又在較高分壓下發(fā)生了毛細(xì)凝聚。從代表微孔填充的起始部分還可以看出，在一定P/P0下，4種樣品的N2吸附量為5#＞2#＞3#＞4#，微孔分布的集中程度為：5#＞2#＞3#＞4#。

　　1#樣品的等溫線屬于Ⅳ型吸附等溫線。圖1表明當(dāng)P/P0增加時(shí)，其吸附量迅速，線性增大。同時(shí)，其吸附量隨相對(duì)壓力的變化幾乎成直線關(guān)系，說(shuō)明1#樣品含有相當(dāng)量的中孔和大孔，中孔和大孔的毛細(xì)凝聚使吸附量隨相對(duì)壓力的增加而迅速增大。

　　2.1.2 BET孔結(jié)構(gòu)分析

　　采用BET模型計(jì)算1#～5#活性炭樣品比表面積SBET、總孔容Vt及平均孔徑 ，結(jié)果見表1。

　　由表1數(shù)據(jù)可知，1#樣品具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其比表面積、總孔容、平均孔徑也明顯高于2#、3#、4#、5#樣品。

　　結(jié)合2.1.1所述的吸附等溫線特征，可以認(rèn)為其原因是1#樣品除了含有微孔以外，還含有大量的中孔和一定量的大孔，而2#、3#、4#、5#樣品則主要以微孔為主。

　　2.1.3 BJH中孔結(jié)構(gòu)分析

　　用BJH法計(jì)算中孔比表面積Sme、孔容Vme及平均孔徑Dme，結(jié)果見表2。

　　表2數(shù)據(jù)表明，1#樣品的中孔孔容幾乎與總孔容相當(dāng)，中孔比表面積約為BET比表面積的90%，說(shuō)明1#樣品有非常發(fā)達(dá)的中孔孔隙，可視為中孔型吸附劑。

　　表2數(shù)據(jù)還表明，在除1#樣品以外的其余4種樣品中，均含有一定量的中孔結(jié)構(gòu)。其中，2#樣品具有的中孔比表面積和孔容相對(duì)較大。

　　BJH孔結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了氮吸附脫附等溫線得到的結(jié)論。

　　2.1.4 t圖法微孔結(jié)構(gòu)分析

　　用t圖法計(jì)算微孔孔容V0、比表面積S0及外表面積Sr，結(jié)果見表3。

　　表3數(shù)據(jù)表明，1#樣品僅存在微量的微孔，結(jié)合BET和BJH孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，可間接說(shuō)明1#樣品主要以中孔和大孔為主；其余4種樣品中，5#樣品具有最大的微孔比表面積和孔容。此結(jié)果同樣與由氮吸附脫附等溫線所得結(jié)論一致。

　　2.1.5 DFT密度函數(shù)理論計(jì)算的全孔分布

　　利用DFT理論計(jì)算1#～5#樣品的全孔分布，參見圖6～圖10。

　　由圖6—圖10可知，1#樣品的孔徑主要分布在2—20nm的中孔范圍內(nèi)；2#、3#、4#、5#樣品的孔徑主要分布在小于2 nm的微孔范圍內(nèi)，在中孔和大孔范圍內(nèi)僅有少量的分布。全孔分析結(jié)果與氮吸附脫附等溫線和BET方程分析得到的結(jié)論一致。

　　2.2 活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)分析

　　2.2.1 紅外光譜分析

　　1#—5#活性炭樣品的紅外光譜圖見圖11。

　　由圖11可知，不管是哪種活性炭，1000—1400cm-1處均出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于酚羥基的吸收帶，1640cm-1處出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于內(nèi)酯基或羧基中C=O伸縮振動(dòng)的吸收帶，3400cm-1處則是由于締合的OH伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收帶。5種活性炭樣品的圖譜形式相近，說(shuō)明5種活性炭樣品所具有的表面基團(tuán)相似。

　　2.2.2 Boehm滴定

　　Boehm滴定法測(cè)得活性炭樣品表面含氧基團(tuán)含量見表4。

　　由表4數(shù)據(jù)可知，5種活性炭樣品所含羧基、內(nèi)酯基、酚羧基的量不大，但存在一定的差異。

　　3.活性炭的選擇

　　在低度白酒生產(chǎn)過(guò)程，利用活性炭作為吸附劑時(shí)，必須充分考慮其吸附性能?；钚蕴靠讖脚c吸附質(zhì)分子的關(guān)系及吸附性能如下：

　?。?）吸附質(zhì)分子大于孔直徑時(shí)，會(huì)因?yàn)榉肿雍Y的作用，分子將無(wú)法進(jìn)入孔內(nèi)，起不到吸附的作用；

　?。?）吸附質(zhì)分子約等于孔直徑時(shí)，即孔直徑與分子直徑相當(dāng)，活性炭的捕捉能力非常強(qiáng)，但它僅適用于極低濃度下的吸附，因此，工業(yè)應(yīng)用前景不大；

　　（3）吸附質(zhì)分子小于孔直徑時(shí)，在孔內(nèi)會(huì)發(fā)生毛細(xì)凝聚作用，吸附量大；

　?。?）吸附質(zhì)分子遠(yuǎn)小于孔直徑時(shí)，吸附質(zhì)分子雖然易發(fā)生吸附，但也較容易發(fā)生脫附，脫附速度很快，而且低濃度下的吸附量小。

　　白酒降度除濁過(guò)程中，己酸乙酯、乙酸乙酯等是白酒香味的主要成分，而棕櫚酸（C16H82O2）、亞油酸（C16H32O2）和油酸（C16H34O2）3種高級(jí)脂肪酸的存在則會(huì)引起的低度酒的渾濁。因此，低度白酒生產(chǎn)的降度處理過(guò)程中，既要最大限度地減少白酒香味成分的損失，又要保證高效脫除多余高級(jí)脂肪酸酯，以保持原酒的風(fēng)味，且不出現(xiàn)降度后的渾濁。

　　據(jù)測(cè)定，己酸乙酯（C8H14O2）分子直徑為1.4nm，若選用孔徑為1.4—2.0nm的活性炭，己酸乙酯就會(huì)進(jìn)入微孔而被吸附，使白酒風(fēng)味受損。因此，欲脫出棕櫚酸（C16H82O2）、亞油酸（C16H32O2）、油酸（C16H34O2）3種高級(jí)脂肪酸，又保留原白酒風(fēng)味，應(yīng)該選擇孔徑在2.0 nm以上的活性炭。此外，從孔徑的角度考慮，活性炭極性基團(tuán)的吸附力較強(qiáng)。雖然它也吸附一定的諸如己酸乙酯、乙酸乙酯之類的香味成分，但它更容易吸附分子量相當(dāng)大的高級(jí)脂肪酸酯，因此，在選擇活性炭時(shí)，應(yīng)選擇活性基團(tuán)含量相對(duì)較高的活性炭，以最大限度地除去會(huì)引起渾濁的高級(jí)脂肪酸乙酯。綜合考慮孔結(jié)構(gòu)和表面性能，前述5種活性炭中，1#活性炭樣品最能滿足以上要求。

　　4.結(jié)論

　　1＃活性炭樣品的比表面積最大，孔徑主要分布在2—20nm的中孔范圍內(nèi)，2#、3#、4#、5#樣品的孔徑主要分布在小于2nm的微孔范圍內(nèi)。5種活性炭樣品所具有的表面基團(tuán)相似。所含羧基、內(nèi)酯基、酚羧基的量不大，但存在一定的差異。這5種活性炭中，1＃樣品最適用于低度白酒生產(chǎn)的降度除濁。