在自然界中，以游離狀態(tài)存在的碳有三種同素異形體，即：金剛石(等軸晶系結(jié)晶)、石墨(六方晶系結(jié)晶)和無(wú)定型碳。在金剛石的晶體內(nèi)，所有碳原子相互之間用強(qiáng)的共價(jià)鍵成等距離排列，每個(gè)碳原子位于一個(gè)正四面體的中心，周圍4個(gè)碳原子位于4個(gè)頂點(diǎn)上，在空間構(gòu)成連續(xù)的、堅(jiān)固的骨架結(jié)構(gòu)。在這類晶體中是分辨不出單個(gè)分子的，只能把整個(gè)晶體看成一個(gè)巨大的三向分子。金剛石碳原子的所有價(jià)電子，都形成共價(jià)鍵而沒有自由電子，所以沒有導(dǎo)電性。不受酸堿的作用。
    在石墨晶體中，碳原子排列成層狀結(jié)構(gòu)，在一個(gè)平面層片上碳原子排列成正六角形，碳原子就分布在各六角環(huán)的頂點(diǎn)上。彼此間的距離比苯環(huán)中碳原子的距離0．139nm稍大一些，為O．142nm，石墨是由許多這樣相互平行的層片構(gòu)成。
    對(duì)每個(gè)碳原子來(lái)說(shuō)，它的4個(gè)電子只有3個(gè)與它在同一平面層內(nèi)的另3個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，在層與層之間，由于距離較近它們不是以化學(xué)鍵相聯(lián)結(jié)，而是以較弱的分子間引力相聯(lián)結(jié)。因此，各層間容易滑移和分離，使石墨具有質(zhì)較滑膩的特性。由于石墨有一個(gè)比較自由的、未成鍵的電子，故石墨能傳熱、導(dǎo)電。由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)使其許多特征顯方向性。
    研究表明，作為無(wú)定型碳，活性炭結(jié)構(gòu)中含有微晶石墨。所謂石墨微晶是類似于石墨的二向結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)和石墨有所不同，平行的網(wǎng)面對(duì)于它們的共同的垂直軸并不是完全定向的，一層對(duì)另一層的角位移是紊亂的，各網(wǎng)平面是不規(guī)則地相互重疊。一般把這種排列稱為亂層結(jié)構(gòu)。常見的基本微晶約由3～4個(gè)平行的石墨層片所組成，它的直徑約為一個(gè)碳的六角體寬度的9倍�；�本微晶的大小常由于活化或者炭化溫度的升高而增大。
    進(jìn)一步的研究表明，活性炭一類的無(wú)定形碳并不是微晶的集合體，而是由數(shù)層平行的碳網(wǎng)平面組成的微晶群、其他未組成平行層的單個(gè)網(wǎng)平面組成的微晶群、其他未組成平行層的單個(gè)網(wǎng)平面以及無(wú)序碳等部分構(gòu)成的。所謂無(wú)序碳是指具有脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)的碳、附著在芳香族結(jié)構(gòu)邊緣上的碳以及參與微晶相互之間架橋結(jié)構(gòu)的碳等。
    X射線衍射研究結(jié)果表明，不同的含碳材料在加熱過(guò)程中，微晶相互間的排列以及其與微晶軸的方法有兩種不同的方式：一種是基本整齊的，并且與微晶軸的方向總體一致；另一種是雜亂的，無(wú)論是微晶間的排列還是微晶與軸的方向，前者叫易石墨化炭，后者叫難石墨化炭。易石墨化炭制得的炭比較軟，孔隙不太發(fā)達(dá)，而難石墨化炭微晶間孑L隙發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)牢固。一般來(lái)說(shuō)，活性炭兼具有兩種結(jié)構(gòu)，大部分活性炭以難石墨化結(jié)構(gòu)為主，尤其是以無(wú)煙煤為主要原料制成的煤基活性炭。    以下從理論人手，由活性炭結(jié)構(gòu)的小單位原子開始，而后解析其結(jié)構(gòu)單元，對(duì)活性炭的機(jī)能基礎(chǔ)的原子性結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
    碳原子具有(2s)2、(2p)2兩種價(jià)電子，化學(xué)結(jié)合時(shí)形成sp、sp。、sp。三種混合軌道。特別是構(gòu)成活性炭的基本結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)，是由sp�；旌宪壍浪�形成的、結(jié)合角為120。的平面結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，如圖l一2所示的那樣的一種二元格子結(jié)構(gòu)，可以說(shuō)是活性炭的碳原子排列中所能見到的唯一的規(guī)則結(jié)構(gòu)。由這樣排列的碳原子所形成的基底面規(guī)則性地積層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的三元結(jié)晶稱作石墨。在X射線衍射中能觀察到三元結(jié)構(gòu)形成的峰。但是，構(gòu)成活性炭的孔壁的碳素固體雖然叫做石墨狀微晶，二元格子卻沒有采取石墨那樣規(guī)則性的積層結(jié)構(gòu)，而形成如圖1—3中所示的亂層結(jié)構(gòu)。
    由活性炭的x射線衍射圖可見，在活性炭中不存在嚴(yán)格意義上的三元性規(guī)則結(jié)構(gòu)。從結(jié)晶的本來(lái)定義是原子具有三元空間性規(guī)則配列結(jié)構(gòu)的固體來(lái)衡量，活性炭孔壁中的固體便不能叫做結(jié)晶。在本節(jié)中，為敘述方便，仍按照慣例將其稱作微晶。
    據(jù)研究，用X射線衍射能夠求得形成活性炭的石墨狀微晶的三元性的大小。其微晶間的空隙便構(gòu)成了孔隙。活性炭的結(jié)構(gòu)不是單純的，各個(gè)微晶大小不等，微晶結(jié)構(gòu)不均一；另一方面，活性炭的構(gòu)成元素不僅有碳，還有氮、氧、氫等其他元素，它們以表面官能團(tuán)的形態(tài)存在。而且，活性炭的結(jié)構(gòu)不一定就是堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。活性炭的微晶隨著對(duì)其他分子進(jìn)行吸附和脫附，其結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化。