活性炭是各種含碳原料經(jīng)過炭化、活化等專門處理而制成的化工產(chǎn)品，它具有巨大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能，在現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域有著廣泛的用途。特別是木質(zhì)活性炭，以它的高吸附性能、低雜質(zhì)含量的特點(diǎn)，更廣泛用于飲用水處理、有機(jī)溶劑的回收、制糖、制藥、催化劑載體、貴重金屬提取、氣體凈化提純、精制等方面。國(guó)內(nèi)以前有關(guān)活性炭雜質(zhì)的檢測(cè)方法中，僅對(duì)活性炭中的某些微量元素含量如鐵、鋅、氯等做測(cè)定，而對(duì)活性炭中可溶物離子總量卻沒有具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)今社會(huì)，某些化學(xué)試劑、食品、醫(yī)藥制品、純凈水等產(chǎn)品的制造過程中對(duì)活性炭可能引入的雜質(zhì)要求越來越嚴(yán)格，這些雜質(zhì)是由活性炭中可溶的微量離子構(gòu)成，而衡量這些微量離子最方便和有效的方法就是測(cè)定活性炭水溶物的電導(dǎo)率。

   日本水道協(xié)會(huì)（JWWAK113-1985）規(guī)定的活性炭電導(dǎo)率測(cè)定方法為電磁攪拌萃取法。

1. 基本原理和試驗(yàn)方法

1.1 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電機(jī)理

   導(dǎo)體按其導(dǎo)電方式和導(dǎo)電時(shí)伴隨發(fā)生的現(xiàn)象分為兩類：一類是金屬導(dǎo)體，另一類是電解質(zhì)導(dǎo)體。

   金屬導(dǎo)體包括固態(tài)和熔化狀態(tài)的金屬，它們的導(dǎo)電機(jī)理主要是依靠金屬中的自由電子的運(yùn)動(dòng)，所以稱電子導(dǎo)體。當(dāng)電流通過這類導(dǎo)體時(shí)，除了它本身可能發(fā)熱以外，不發(fā)生任何化學(xué)變化。在一般情況下，金屬導(dǎo)電能力隨著溫度升高而減少。屬于這類導(dǎo)體的主要是金屬，也有一些非金屬如石墨等。

   電解質(zhì)溶液導(dǎo)體包括各種電解質(zhì)溶液和熔化狀態(tài)的電解質(zhì)，它們的導(dǎo)電機(jī)理是依靠電解質(zhì)溶液中陰、陽離子的定向遷移運(yùn)動(dòng)，所以稱離子導(dǎo)體。這類導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度升高而增大。通電時(shí)在兩個(gè)電極上發(fā)生化學(xué)變化。

1.2 電解定律

   在電解質(zhì)溶液中通電后，陰、陽離子發(fā)生定向遷移，并在電極表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物是多種多樣的，有固體（沉積在電極上）、有氣體產(chǎn)物（如H2、O2等），也有仍舊保持在溶液中為離子產(chǎn)物者（如Fe3+→Fe2+等）。電解產(chǎn)物的量與通入的電量有如下基本關(guān)系：（1）在電解過程中電極上起化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過溶液的電量成正比；（2）用相同的電量通過各種不同的電解質(zhì)溶液時(shí)，在各電極上所析出或溶解的物質(zhì)具有相同的當(dāng)量值。這兩條規(guī)律稱為法拉第定律（Faraday定律）。

1.3 電導(dǎo)、電導(dǎo)率

   在衡量電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力與所含電解質(zhì)數(shù)量的關(guān)系時(shí)，常用電導(dǎo)（L）表示。電導(dǎo)就是導(dǎo)體電阻（R）的倒數(shù)。

L=1/R                            (1.1)

   電阻R的單位為歐姆（Ω），電導(dǎo)L的單位為西門（S），或歐姆−1（Ω−1）。

   實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度λ成正比，與導(dǎo)體的截面積A成反比。

R=ρλ/A                            (1.2)

式中ρ為比例系數(shù)，即導(dǎo)體在λ=1cm，A=1cm2時(shí)的電阻，稱此為比電阻。而比電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)率。以符號(hào)K表示。

K=1/ρ                       (1.3)

   根據(jù)(1.2)和(1.3)式，可以得出電導(dǎo)與電導(dǎo)率關(guān)系式：

L=KA/λ                            (1.4)

式中K的物理意義是：導(dǎo)體的長(zhǎng)度為1cm，導(dǎo)體的截面積為1cm2時(shí)的電導(dǎo)，稱為比電導(dǎo)或電導(dǎo)率。單位是西門⋅米−1（S⋅m−1）或歐姆−1⋅厘米−1（Ω−1⋅cm−1），1S⋅m−1=100Ω−1⋅cm−1。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率是指1cm3的立方體溶液的電導(dǎo)。

   電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率隨溶液的溫度升高而增高。因此，只有在相同溫度下測(cè)得的電導(dǎo)率才具有比較性。

2. 試驗(yàn)主要器材和方法

2.1 主要器材

   采用國(guó)產(chǎn)DOS-11A型電導(dǎo)率儀；78-1型磁力攪拌器。

2.2 萃取劑

   本試驗(yàn)采用萃取劑均為蒸餾水。

   在同一溫度下（6℃）測(cè)得的蒸餾水電導(dǎo)率為1.61μS/cm，自來水的電導(dǎo)率為2.35×102μS/cm。

   可以看出蒸餾水的電導(dǎo)率相對(duì)于后面測(cè)定的活性炭的電導(dǎo)率很小，而自來水的電導(dǎo)率相對(duì)于活性炭萃取水的電導(dǎo)率較大，因而用蒸餾水萃取活性炭較適合。

2.3 炭水比與炭水量

   參考日本水道協(xié)會(huì)（JWWAK113-1985）規(guī)定的活性炭電導(dǎo)率測(cè)定方法，采用炭與水1:100的比例。對(duì)于常用活性炭，此炭水比例既能保證充分萃取活性炭，又不至于使萃取液濃度過低或過高。按照這樣的炭水比的萃取液在電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x上的數(shù)值分布比較合適。

   本試驗(yàn)采用的炭與水的量為1g活性炭加100g水。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 加熱萃取法

   稱取1.00g已磨好通過180目干燥后冷卻至室溫的活性炭試樣置于250mL具塞磨口錐形瓶中，加蒸餾水100mL；將瓶塞子與磨口處墊一片小紙條，以防錐形瓶因加熱使蒸氣壓力升高將塞子彈出并且可以減少蒸發(fā)損失；將其置于沸水浴中一定時(shí)間，適時(shí)振蕩，過濾萃取液，棄去前30mL左右，收集適量濾液于另一100mL具塞磨口錐形瓶中，將瓶置于恒溫水浴中約10min，等瓶?jī)?nèi)液體溫度達(dá)到恒定后，測(cè)其電導(dǎo)率。

2.4.2 電磁攪拌萃取法

   稱取1.00g干燥后冷卻的活性炭試樣于250mL具塞磨口錐形瓶中，加蒸餾水100mL，將瓶置于電磁攪拌器上，中速攪拌一定時(shí)間，過濾萃取液，棄去前30mL左右，收集適量濾液于另一100mL具塞磨口錐形瓶中，將瓶置于恒溫水浴中約10min，待瓶?jī)?nèi)液體溫度達(dá)到恒定后，測(cè)其電導(dǎo)率。

3. 活性炭電導(dǎo)率測(cè)定中萃取方法比較和討論

3.1 以氯化鋅法糖用活性炭為例

   相同測(cè)量溫度（20℃）下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系，如表1。

表1 氯化鋅法糖用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系

時(shí)間，min

加熱萃取電導(dǎo)率，μS/cm

電磁攪拌萃取電導(dǎo)率，μS/cm

1

3.4 × 102

3.2 × 102

2

3.6 × 102

3.4 × 102

3

3.7 × 102

3.6 × 102

12

3.8 × 102

3.7 × 102

15

3.8 × 102

3.7 × 102

24

3.8 × 102

3.7 × 102

30

3.8 × 102

3.7 × 102

45

3.8 × 102

3.7 × 102

60

3.9 × 102

3.7 × 102

3.2 以磷酸法糖用活性炭為例

   相同測(cè)量溫度（10℃）下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系，如表2。

表2 磷酸法糖用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系

時(shí)間，min

加熱萃取電導(dǎo)率，μS/cm

電磁攪拌萃取電導(dǎo)率，μS/cm

5

2.9 × 102

2.5 × 102

15

3.1 × 102

2.6 × 102

25

3.1 × 102

2.6 × 102

3.3 以一般工業(yè)用活性炭為例

   相同測(cè)量溫度（9℃）下兩種萃取方法的萃取時(shí)間與電導(dǎo)率關(guān)系，如表3。

表3 一般工業(yè)用活性炭的萃取時(shí)間-電導(dǎo)率關(guān)系

時(shí)間，min

加熱萃取電導(dǎo)率，μS/cm

電磁攪拌萃取電導(dǎo)率，μS/cm

5

4.2 × 102

3.3 × 102

15

4.3 × 102

3.4 × 102

25

4.3 × 102

3.4 × 102

   由以上三組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：（1）采用兩種萃取方法分別萃取一段時(shí)間（15min）后所得的溶液電導(dǎo)率都趨于穩(wěn)定。這是由于經(jīng)過一段時(shí)間溶解達(dá)到平衡的緣故；（2）對(duì)不同類型的活性炭差異不相同。這說明原料及其制造方法對(duì)活性炭中所含的可溶物的溶解性質(zhì)有影響；（3）對(duì)同一種活性炭，采用沸水浴萃取所得的溶液電導(dǎo)率比電磁攪拌萃取所得的高。這是由于沸水浴萃取過程中萃取液溫度達(dá)到90℃以上，使得活性炭的溶出物增加，可溶物的溶解度也增大；沸水浴萃取過程中水分蒸發(fā)損失，使萃取所得的溶液濃度升高。很顯然，這兩種萃取方法對(duì)活性炭的萃取效果并不相同。

   在活性炭的實(shí)際使用中，吸附往往是在高于室溫的熱溶液中進(jìn)行的。因此采用沸水浴萃取對(duì)于測(cè)量活性炭的電導(dǎo)率較具有實(shí)際意義。但是如果蒸發(fā)量太大，顯然會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了弄清蒸發(fā)量究竟對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定有多大影響，又作了如下實(shí)驗(yàn)。稱一定量蒸餾水N于具塞磨口錐形瓶中，將瓶塞子與磨口處墊一片小紙條，用天平稱出初始總重量M1，然后將瓶置于沸水浴中加熱一定時(shí)間，再將瓶取出擦干外壁水分，待其冷卻后稱出總重量M2，M1−M2即蒸發(fā)量。蒸發(fā)量除以最初加入的蒸餾水量N，即得到相對(duì)蒸發(fā)量。

   取25mL、100mL錐形瓶加入一定量蒸餾水做蒸發(fā)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4。

表4 水分相對(duì)蒸發(fā)量

瓶號(hào)

蒸餾水加入量N，g

總重量M1，g

總重量M2，g

蒸發(fā)量

（M1−M2），g

相對(duì)蒸發(fā)量，%

（M1−M2）/N×100%

1#：（250mL錐形瓶，加熱15min）

99.9997

179.7837

179.4485

0.3352

0.335

2#：（100mL錐形瓶，加熱30min）

38.5104

108.7235

108.5429

0.1816

0.472

   由表4可以看出：采用沸水浴萃取，其相對(duì)蒸發(fā)量很小，可以忽略不計(jì)。因此，沸水浴萃取所得的溶液電導(dǎo)率與電磁攪拌萃取所得溶液的電導(dǎo)率的差異主要是由于升溫使活性炭的溶出物增加，可溶物的溶解度增大而引起的。

3.4 具有代表性的幾種不同類型的活性炭

   這些活性炭分別應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、水處理、一般工業(yè)用脫色等方面。其制造方法有氯化鋅法、磷酸法、水蒸氣法等。原料取自鋸木屑、果殼、木炭等。在不同測(cè)量溫度、相同萃取時(shí)間（15min）下，分別采用上述萃取方法，比較測(cè)得的電導(dǎo)率，見表5。

表5 不同類型的活性炭在不同測(cè)量溫度下測(cè)得的電導(dǎo)率

品種

加熱萃取電導(dǎo)率，μS/cm

電磁攪拌萃取電導(dǎo)率，μS/cm

氯化鋅法糖用活性炭（20℃）

3.8 × 102

3.7 × 102

磷酸法糖用活性炭（10℃）

3.1 × 102

2.6 × 102

針劑用活性炭（30℃）

0.43 × 102

0.33 × 102

化學(xué)法工業(yè)用粉狀活性炭（10℃）

6.9 × 102

5.8 × 102

物理法果殼活性炭（40℃）

4.4 × 102

3.1 × 102

物理法工業(yè)用活性炭（6℃）

0.68 × 102

0.66 × 102

4. 結(jié)論

   由以上實(shí)驗(yàn)可以看出，單純采用電磁攪拌萃取所測(cè)得的電導(dǎo)率不能合理反映活性炭在熱溶液中的實(shí)際情況，而采用沸水浴加熱萃取對(duì)于測(cè)量活性炭的電導(dǎo)率既有效又更具有實(shí)際意義。