活性炭

活性炭（英文名称：Carbon Active）是由含碳材料制成的外观呈黑色、内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的定义，活性炭是指炭在炭化前、炭化时、炭化后经与气体或化学品作用以增加吸附性能的多孔的炭。

公元前1550年古埃及人就在医药上使用活性炭。欧美在20世纪初开始发展活性炭的生产。1911年在维也纳附近的Fanto工厂首次用水蒸气活化法生产出粉状炭，1913年又用氯化锌活化法生产出防毒面具用的粒状活性炭。1929年以后，美国开始将粉状活性炭用于水处理。此时原料使用已相当广泛，扩展到用果壳、核、泥煤等，活化方法也多种多样，理论研究进一步深化。第二次世界大战后，活性炭工业的主导权已从欧洲转到美国，为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大到空气净化、废水处理、香烟滤嘴等方面。从20世纪70年代初开始，随着现代工业和环境科学的发展，出现了许多活性炭新品种和新应用，如球形炭、浸渍炭、纤维活性炭等。

活性炭为黑色微细粉末或颗粒，密度为1.8g/cm~2.1g/cm，表观密度为0.08g/cm~0.45g/cm，含碳量为10%~98%。无臭、无味，有多孔结构，对气体、蒸汽或胶态固体有强大的吸附能力，每克的总表面积可达500m~1000m，沸点4200℃，不溶于水和有机溶剂。最适pH为4.0~4.8，最适温度为70℃~80℃。活性炭具有大的比表面积、微孔结构、强的吸附能力和很高的表面活性，使其具有独特的多功能吸附作用。

活性炭在气相中和液相中都有很好的吸附性能。苯和四氯化碳都是作为易吸附气体的代表被用着对粒状活性炭的吸附性能进行评价。测定四氯化碳吸附率试验已被列入气相评价颗粒活性炭的标准。衡量活性炭在液相吸附中的应用好坏，主要看碘吸附值、亚甲蓝吸附值和焦糖脱色率的三项指标。若水中主要含有小分子，那就需要采用碘吸附值高的活性炭；若水中主要成分为较大分子，那就要采用亚甲蓝吸附值高的活性炭；若水中成分为大分子，就必须采用焦糖脱色率高的活性炭。

美国粒状活性炭国家标准、美国自来水工程协会质量标准ANSI/AWWA B604-90

活性炭在元素组成方面，80%~90%以上由碳组成，这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。活性炭中除了碳元素外，还包含有两类掺和物：一类是化学结合的元素，主要是氧和氢，这些元素是由于未完全炭化而残留在炭中，或者在活化过程中，外来的非碳元素与活性炭表面化学结合；另一类掺和物是灰分，它是活性炭的无机部分，几种活性炭的元素组成。活性炭有含氧和含氮两种官能团。含氧官能团中含有羧基、内酯基、羰基、嘧啶、酚轻基等，还有酸碱性之分，酸性官能团含有酚羟基、羧基、正内酯[zhǐ]基、环式过氧基、醌[kūn]型羰[tāng]基等。酸性基团的主要酸性氧化物是内酯基、酚羟基和羧基。含氮官能团的分子组成有酰亚胺、类毗咯基、酰胺、乳胺基等。它们的化学分子结构具有很强的吸附活性，对不同的吸附质可能产生物理结合或化学结合。

活性炭按外形分有：颗粒活性炭、粉状活性炭、纤维活性炭、微球活性炭等。

粉末状活性炭颗粒极细呈粉末状，其总表面积大，吸附力和吸附量也特别大，是活性炭中吸附力最强的一类。但因其颗粒太细影响过滤速度，过滤操作时常要加压或减压。

活性炭粉末

颗粒状活性炭是由粉末状活性炭制成之颗粒，其总表面积相应地有所减小，吸附力和吸附量仅次于粉末状活性炭。

苏联学者杜比宁提出了下述的孔隙分类方法：孔隙直径为100nm~2000nm时，称大孔；孔隙直径为2nm~100nm时，称中孔（或称过渡孔）；孔隙直径为2nm以下时，称微孔。国际理论与应用化学联合会（IUPAC）的分类与上述方法有所差别，将活性炭的孔隙结构分为：微孔（2nm以下）、中孔（2nm~50nm）和大孔（50nm以上）。

按使用场合分，活性炭的种类有：气相炭、液相炭等。按用途分，活性炭的种类有：溶剂回收炭、气体净化炭、脱色炭、药用炭、催化剂炭、变压吸附炭、黄金炭、脱硫炭、血液灌流炭、水处理炭等。按制造方法分，活性炭的种类有：物理法炭、化学法炭（包括氯化锌炭、磷酸炭等）。按原料分，活性炭的种类有：木质炭、煤质炭、生物质炭、树脂炭、沥青炭等。

活性炭的主要功能是吸附。吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附主要是由于分子之间的范德华力。范德华力作用强度小，所以吸附不牢固，是可逆的，尤其是升温时容易解吸，但其作用范围较大，如果吸附层厚度超过一分子会形成多分子层吸附。另外，活性炭和溶质间还有静电引力。

化学吸附是由于化学键力的作用，化学键合力的强度较大，可以使吸附物固定吸附在某些活性点上，不容易脱离并且可逆性差，被吸附物质常发生化学反应而改变其性状。化学键力是在特定原子间产生，具有选择性。化学吸附的作用力只形成单分子吸附层。

活性炭不但本身有催化作用，也可以作各种催化剂的载体。活性炭具有催化、氧化和催化还原作用。

活性炭氧化表面的水解可以使其具有弱酸阳离子的交换性质。使炭成为部分离子交换剂，从溶液中吸引微量金属。

活性炭也是多孔的过滤介质，可以截留水中的悬浮物。当水中微生物在炭上形成生物膜时，还有过滤、吸附、生物化学等作用。

活性炭在饮用水处理上用于吸附有毒物质（三卤甲烷、农药等）、异味的脱除等；在酒类生产中用于脱除不正气味、改善颜色、降低粗馏物中的醛、油等的含量和加速酒的发酵；在啤酒酿造的过程中，用于水处理、空气的净化和纠正啤酒的颜色，脱除酚、着色剂等产生的臭气；在油脂工业用于浸出溶剂的回收、油脂中有毒杂质和色素的脱除、油脂的氢化加工等；在制糖业中用于糖液的脱色；在香烟中用于吸附烟气中的尼古丁、焦油等有毒物质。

活性炭常应用于水纯化中

活性炭水过滤器内部填充

活性炭可用做外敷或内服药物，如将干粉活性炭放入绷带中敷裹于伤处，可治疗溃疡、化脓性创伤、烧伤等；在内科上主要用于治疗肠道疾病，如痢疾、伤寒等，还可用做许多毒物的急救解毒药：活性炭可作为其他药物的载体，使药物缓慢释放，延长作用时间；活性炭可用于人造肝，吸附血液中的尿酸等有害物质；活性炭用于人工肾，主要对透析液中的尿酸、血尿素和肌酸酐吸附脱除，是渗透液循环使用。

活性炭对许多生物化学药品具有脱色、除臭和净制作用，广泛应用于抗生素、维生素、解热药、磺胺药、抗结核病药、生物碱、激素、注射液等药物的脱色和净制，以消除药物中的重金属和有害物质，消除热源等。

活性炭本身具有一定的催化活性，可单独作为催化剂使用，也可作为催化剂的载体，如用于葡萄糖制葡萄糖酸钠、钙催化剂Pd-Bi/C的载体，选择性好、糖转化率高；合成醋酸乙烯催化剂醋酸锌的载体；氯乙烯单体合成用催化剂升汞（氯化汞）的载体等。

在煤或石油制取合成气的过程中，煤气中的H₂S和COS是甲醇、甲烷化、氨合成等催化剂中毒的主要因素。活性炭用于煤气的精脱硫效果良好，可以将H₂S脱至0.2×10以下，大大低于合成气小于1×10的要求。

用活性炭处理汞含量较高的废水可以得到很高的去除率（85％~99％）。该方法只适用于含汞废水成分单一且浓度较低情况下的处理。当废水含汞浓度高时，可先进行一级处理，降低废水汞浓度后再用活性炭吸附。处理后的活性炭可回收再生，重复使用，但由于活性炭价格昂贵不适于大规模处理含汞废水。

煤炭在燃烧过程中会产生大量的SO₂和NO_x，这两种酸性氧化物是大气污染的主要成分。利用活性炭的高吸附能力脱除烟道气中的SO₂和NO_x成为研究的热点之一。

在橡胶、塑料、纺织、印刷、油漆、军工等工业领域内，均需使用大量的有机溶剂。如油漆工业中的信那水、发射药生产中的乙醇、乙醚等。为了安全生产、保证工人健康、降低生产成本、减少环境污染，必须进行溶剂回收，其最有效的方法是用活性炭吸附。

在几乎所有的工业生产过程中都会产生废水，特别是化工产品的制造，污水的产生更是不可避免。活性炭在处理低浓度污水时显示出极佳的效果。

活性炭在呼吸器材的应用始于军事上防毒面具的需要。

制备活性炭主要包括以下步骤：原材料选择→预处理→炭化一冷却→活化→洗涤→翻炒→烘干→粉碎过筛→成品。最主要的是原料选择、炭化和活化等步骤，其中活化最为关键。原材料可以选择：有机聚合物（酚醛树脂、导电聚合物和离子交换树脂等）、生物质资源（稻壳、果皮、海藻等）、化石资源（石油沥青、石油焦等）

活性炭制备示意图

物理活化法是以水蒸气、空气、二氧化碳等为活化剂活化，通过侵蚀炭的表面，形成新的孔隙，并且可氧化分解残留炭中的碳氢化合物和焦油，清除表面的杂质，使原来被堵塞的孔隙重新开放。同时，原来孔隙之间的薄壁可能会被烧毁，使孔隙扩大，会形成更发达的孔隙结构，使比表面积大大增加，从而提高活性炭的吸附力。

化学试剂活化是指通过化学试剂镶嵌到原料的内部，使原料中的碳氢化合物所含的氢和氧以水蒸气的形态分解脱离出去，通过一系列的交联或缩聚反应来产生丰富的微孔。比较成熟且被广泛应用的化学活化剂主要有氢氧化物、碳酸钾、氯化锌、硫酸、磷酸等。

活性炭被称为无定形碳。活性炭结构中含有石墨微晶，这些微晶是尺寸为1nm~3nm的结晶。活性炭存在有序的石墨结构并且具有明显的导电性。从某种程度上讲，导电性与活化温度有关，并在高温下导电性会增强。

活性炭分为大孔、过渡孔和微孔。大孔的内表面能发生多层吸附，在活性炭中所占比例很少，所以大部分只能起着通路作用。但它作为支配吸附速度的因素，在实际应用中也是非常重要的。过渡孔的作用在许多情况下和大孔作用是相同的。活性炭的吸附作用大部分是在微孔进行的，吸附量受微孔的支配。

活性炭孔隙结构示意图

在空气中灼烧活性炭所得到的残烬通常被称为灰分。通过元素分析表明，在活性炭的碳骨架中还存在一定数量的杂原子，其中的杂原子与碳原子间通过化学键相互联系。活性炭的活性来源于和其他杂原子相连的碳原子所呈现的强烈吸附能力。

再生：采用一些特殊的方法，可以是物理、化学、生物方法等等，将吸附在活性炭表面的吸附质除去，恢复活性炭吸附能力。再生的方法有：加热再生法、化学药剂再生法、化学氧化再生法、生物再生法、湿式再生法、超声波再生法等等。

无机药剂再生：无机酸（H₂SO₄、HCl）或碱（NaOH）等无机药剂是吸附在活性炭上的污染物脱附。有机溶剂再生：采用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂萃取吸附在活性炭上的有机物。

湿式氧化再生法：在液相状态下，用空气中的氧在高温、高压下将吸附的有机物氧化的过程。一般用于粉末状活性炭再生。电解氧化法：将碳作阳极，进行水的电解，在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。臭氧氧化法：利用强氧化剂（O₃），将吸附在活性炭上的有机物加以分解。

在微生物的作用下，对饱和炭接种经过驱化培养的菌种，吸附在活性炭上的有机物解吸并被微生物分解，从而使得饱和炭得到再生。

在超声波空化作用下水中可以形成瞬时的高温高压气泡，这些气泡有利于有机物的分解。特点：能量大多集中在活性炭局部，能耗比较小，再生设备简单，活性炭再生损失小。

活性炭被列入危险化学品名录，属于自燃物品，必须存放在尽可能防火的建筑内，不可以与氧化剂混放；应储存于阴凉干燥处，防止内外包装袋破裂，防止受潮和吸附空气中其他物质，影响使用效果；严禁与有毒有害气体或易挥发物质混放，存放要远离污染源。活性炭在运输过程中，不得用铁钩拖拽。应防止与坚硬物质混装，不可强烈振动、摩擦、踩、砸，严禁抛挪，应轻装轻卸，以减少炭粒破碎，影响使用。