活性炭（英文名稱：Carbon Active）是由含碳材料制成的外觀呈黑色、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的定義，活性炭是指炭在炭化前、炭化時(shí)、炭化后經(jīng)與氣體或化學(xué)品作用以增加吸附性能的多孔的炭。
活性炭主要由碳元素組成，還含有少量的氫、氧等元素，相對(duì)密度為1.8~2.1，表觀相對(duì)密度為0.08~0.45，含碳量為10%~98%。因其具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積、高表面活性和多樣的表面化學(xué)性質(zhì)，吸附性能良好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、容易再生等優(yōu)點(diǎn)，而作為吸附劑、催化劑、催化劑載體、雙電層電容器電極材料，廣泛應(yīng)用于制藥、化工、食品、加工、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。
相關(guān)歷史
公元前1550年古埃及人就在醫(yī)藥上使用活性炭。歐美在20世紀(jì)初開始發(fā)展活性炭的生產(chǎn)。1911年在維也納附近的Fanto工廠首次用水蒸氣活化法生產(chǎn)出粉狀炭，1913年又用氯化鋅活化法生產(chǎn)出防毒面具用的粒狀活性炭。1929年以后，美國開始將粉狀活性炭用于水處理。此時(shí)原料使用已相當(dāng)廣泛，擴(kuò)展到用果殼、核、泥煤等，活化方法也多種多樣，理論研究進(jìn)一步深化。第二次世界大戰(zhàn)后，活性炭工業(yè)的主導(dǎo)權(quán)已從歐洲轉(zhuǎn)到美國，為保護(hù)環(huán)境和節(jié)省能源，活性炭用途已擴(kuò)大到空氣凈化、廢水處理、香煙濾嘴等方面。從20世紀(jì)70年代初開始，隨著現(xiàn)代工業(yè)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多活性炭新品種和新應(yīng)用，如球形炭、浸漬炭、纖維活性炭等。
主要特性
物理特性
活性炭為黑色微細(xì)粉末或顆粒，密度為1.8g/cm3~2.1g/cm3，表觀密度為0.08g/cm3~0.45g/cm3，含碳量為10%~98%。無臭、無味，有多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體、蒸汽或膠態(tài)固體有強(qiáng)大的吸附能力，每克的總表面積可達(dá)500m2~1000m2，沸點(diǎn)4200℃，不溶于水和有機(jī)溶劑。最適pH為4.0~4.8，最適溫度為70℃~80℃。活性炭具有大的比表面積、微孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的吸附能力和很高的表面活性，使其具有獨(dú)特的多功能吸附作用。
吸附能力的測(cè)定
活性炭在氣相中和液相中都有很好的吸附性能。苯和四氯化碳都是作為易吸附氣體的代表被用著對(duì)粒狀活性炭的吸附性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。測(cè)定四氯化碳吸附率試驗(yàn)已被列入氣相評(píng)價(jià)顆粒活性炭的標(biāo)準(zhǔn)。衡量活性炭在液相吸附中的應(yīng)用好壞，主要看碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值和焦糖色素脫色率的三項(xiàng)指標(biāo)。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；若水中主要成分為較大分子，那就要采用亞甲藍(lán)吸附值高的活性炭；若水中成分為大分子，就必須采用焦糖脫色率高的活性炭。
化學(xué)組成
活性炭在元素組成方面，80%~90%以上由碳組成，這也是活性炭為疏水性吸附劑的原因。活性炭中除了碳元素外，還包含有兩類摻和物：一類是化學(xué)結(jié)合的元素，主要是氧和氫，這些元素是由于未完全炭化而殘留在炭中，或者在活化過程中，外來的非碳元素與活性炭表面化學(xué)結(jié)合；另一類摻和物是灰分，它是活性炭的無機(jī)化合物部分，幾種活性炭的元素組成。活性炭有含氧和含氮兩種官能團(tuán)。含氧官能團(tuán)中含有羧基、內(nèi)酯基、羰基、嘧啶、酚輕基等，還有酸堿性之分，酸性官能團(tuán)含有酚羥基、羧基、正內(nèi)基、環(huán)式過氧基、型基等。酸性基團(tuán)的主要酸性氧化物是內(nèi)酯基、酚羥基和羧基。含氮官能團(tuán)的分子組成有酰亞胺、類毗咯基、酰胺、乳胺基等。它們的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的吸附活性，對(duì)不同的吸附質(zhì)可能產(chǎn)生物理結(jié)合或化學(xué)結(jié)合。
分類
按外形分
活性炭按外形分有：顆粒活性炭、粉狀活性炭、纖維活性炭、微球活性炭等。
粉末活性炭
粉末狀活性炭顆粒極細(xì)呈粉末狀，其總表面積大，吸附力和吸附量也特別大，是活性炭中吸附力最強(qiáng)的一類。但因其顆粒太細(xì)影響過濾速度，過濾操作時(shí)常要加壓或減壓。
顆粒活性炭
顆粒狀活性炭是由粉末狀活性炭制成之顆粒，其總表面積相應(yīng)地有所減小，吸附力和吸附量僅次于粉末狀活性炭。
按孔隙分
蘇聯(lián)學(xué)者杜比寧提出了下述的孔隙分類方法：孔隙直徑為100nm~2000nm時(shí)，稱大孔；孔隙直徑為2nm~100nm時(shí)，稱中孔（或稱過渡孔）；孔隙直徑為2nm以下時(shí)，稱微孔。國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的分類與上述方法有所差別，將活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)分為：微孔（2nm以下）、中孔（2nm~50nm）和大孔（50nm以上）。
其他分類
按使用場(chǎng)合分，活性炭的種類有：氣相炭、液相炭等。
按用途分，活性炭的種類有：溶劑回收炭、氣體凈化炭、脫色炭、藥用炭、催化劑炭、變壓吸附炭、黃金炭、脫硫炭、血液灌流炭、水處理炭等。
按制造方法分，活性炭的種類有：物理法炭、化學(xué)法炭（包括氯化鋅炭、磷酸炭等）。
按原料分，活性炭的種類有：木質(zhì)炭、煤質(zhì)炭、生物質(zhì)炭、樹脂炭、瀝青炭等。
主要功能
吸附
活性炭的主要功能是吸附。吸附作用可分為物理吸附和化學(xué)吸附。
物理吸附
物理吸附主要是由于分子之間的范德華力。范德華力作用強(qiáng)度小，所以吸附不牢固，是可逆的，尤其是升溫時(shí)容易解吸，但其作用范圍較大，如果吸附層厚度超過一分子會(huì)形成多分子層吸附。另外，活性炭和溶質(zhì)間還有靜電引力。
化學(xué)吸附
化學(xué)吸附是由于化學(xué)鍵力的作用，化學(xué)鍵合力的強(qiáng)度較大，可以使吸附物固定吸附在某些活性點(diǎn)上，不容易脫離并且可逆性差，被吸附物質(zhì)常發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而改變其性狀。化學(xué)鍵力是在特定原子間產(chǎn)生，具有選擇性。化學(xué)吸附的作用力只形成單分子吸附層。
催化作用
活性炭不但本身有催化作用，也可以作各種催化劑的載體。活性炭具有催化、氧化和催化還原作用。
離子交換作用
活性炭氧化表面的水解可以使其具有弱酸陽離子的交換性質(zhì)。使炭成為部分離子交換劑，從溶液中吸引微量金屬。
過濾作用
活性炭也是多孔的過濾介質(zhì)，可以截留水中的懸浮物。當(dāng)水中微生物在炭上形成生物膜時(shí)，還有過濾、吸附、生物化學(xué)等作用。
應(yīng)用領(lǐng)域
食品工業(yè)和飲用水等領(lǐng)域
活性炭在飲用水處理上用于吸附有毒物質(zhì)（三鹵甲烷、農(nóng)藥等）、異味的脫除等；在酒類生產(chǎn)中用于脫除不正氣味、改善顏色、降低粗餾物中的醛、油等的含量和加速酒的發(fā)酵；在啤酒釀造的過程中，用于水處理、空氣的凈化和糾正啤酒的顏色，脫除酚、著色劑等產(chǎn)生的臭氣；在油脂工業(yè)用于浸出溶劑的回收、油脂中有毒雜質(zhì)和色素的脫除、油脂的氫化加工等；在制糖業(yè)中用于糖液的脫色；在香煙中用于吸附煙氣中的煙堿標(biāo)準(zhǔn)品、焦油等有毒物質(zhì)。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
活性炭可用做外敷或內(nèi)服藥物，如將干粉活性炭放入繃帶中敷裹于傷處，可治療潰瘍、化膿性創(chuàng)傷、燒傷等；在內(nèi)科上主要用于治療腸道疾病，如痢疾、傷寒等，還可用做許多毒物的急救解毒藥：活性炭可作為其他藥物的載體，使藥物緩慢釋放，延長作用時(shí)間；活性炭可用于人造肝，吸附血液中的尿酸等有害物質(zhì)；活性炭用于人工腎，主要對(duì)透析液中的尿酸、血尿素和肌酸酐吸附脫除，是滲透液循環(huán)使用。
制藥領(lǐng)域
活性炭對(duì)許多生物化學(xué)藥品具有脫色、除臭和凈制作用，廣泛應(yīng)用于抗生素、維生素、解熱藥、磺胺藥、抗結(jié)核病藥、生物堿、激素、注射液等藥物的脫色和凈制，以消除藥物中的重金屬和有害物質(zhì)，消除熱源等。
工業(yè)生產(chǎn)
催化劑和催化劑載體
活性炭本身具有一定的催化活性，可單獨(dú)作為催化劑使用，也可作為催化劑的載體，如用于葡萄糖制葡萄糖酸鈉、鈣催化劑Pd-Bi/C的載體，選擇性好、糖轉(zhuǎn)化率高；合成乙酸乙烯催化劑乙酸鋅的載體；氯乙烯單體合成用催化劑氯化汞（氯化汞）的載體等。
煤氣脫硫
在煤或石油制取合成氣的過程中，煤氣中的H2S和COS是甲醇、甲烷化、氨合成等催化劑中毒的主要因素。活性炭用于煤氣的精脫硫效果良好，可以將H2S脫至0.2×10-6以下，大大低于合成氣小于1×10-6的要求。
汞處理
用活性炭處理汞含量較高的廢水可以得到很高的去除率（85％~99％）。該方法只適用于含汞廢水成分單一且濃度較低情況下的處理。當(dāng)廢水含汞濃度高時(shí)，可先進(jìn)行一級(jí)處理，降低廢水汞濃度后再用活性炭吸附。處理后的活性炭可回收再生，重復(fù)使用，但由于活性炭價(jià)格昂貴不適于大規(guī)模處理含汞廢水。
環(huán)境領(lǐng)域
煙道氣脫硫脫硝
煤炭在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的SO2和NOx，這兩種酸性氧化物是大氣污染的主要成分。利用活性炭的高吸附能力脫除煙道氣中的SO2和NOx成為研究的熱點(diǎn)之一。
溶劑回收
在橡膠、塑料、紡織、印刷、油漆、軍工等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，均需使用大量的有機(jī)溶劑。如油漆工業(yè)中的信那水、發(fā)射藥生產(chǎn)中的乙醇、乙醚等。為了安全生產(chǎn)、保證工人健康、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染，必須進(jìn)行溶劑回收，其最有效的方法是用活性炭吸附。
污水處理
在幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)過程中都會(huì)產(chǎn)生廢水，特別是化工產(chǎn)品的制造，污水的產(chǎn)生更是不可避免。活性炭在處理低濃度污水時(shí)顯示出極佳的效果。
呼吸器材
活性炭在呼吸器材的應(yīng)用始于軍事上防毒面具的需要。
制備方法
制備活性炭主要包括以下步驟：原材料選擇→預(yù)處理→炭化一冷卻→活化→洗滌→翻炒→烘干→粉碎過篩→成品。最主要的是原料選擇、炭化和活化等步驟，其中活化最為關(guān)鍵。
原材料可以選擇：有機(jī)聚合物（酚醛樹脂、導(dǎo)電聚合物和離子交換樹脂等）、生物質(zhì)資源（稻殼、果皮、海藻等）、化石資源（石油瀝青、石油焦等）
物理活化法
物理活化法是以水蒸氣、空氣、二氧化碳等為活化劑活化，通過侵蝕炭的表面，形成新的孔隙，并且可氧化分解殘留炭中的碳?xì)浠衔锖徒褂停宄砻娴碾s質(zhì)，使原來被堵塞的孔隙重新開放。同時(shí)，原來孔隙之間的薄壁可能會(huì)被燒毀，使孔隙擴(kuò)大，會(huì)形成更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，使比表面積大大增加，從而提高活性炭的吸附力。
化學(xué)活化法
化學(xué)試劑活化是指通過化學(xué)試劑鑲嵌到原料的內(nèi)部，使原料中的碳?xì)浠衔锼臍浜脱跻运魵獾男螒B(tài)分解脫離出去，通過一系列的交聯(lián)或縮聚反應(yīng)來產(chǎn)生豐富的微孔。比較成熟且被廣泛應(yīng)用的化學(xué)活化劑主要有氫氧化物、碳酸鉀、氯化鋅、硫酸、磷酸等。
結(jié)構(gòu)
微晶結(jié)構(gòu)
活性炭被稱為無定形碳。活性炭結(jié)構(gòu)中含有石墨礦微晶，這些微晶是尺寸為1nm~3nm的結(jié)晶。活性炭存在有序的石墨結(jié)構(gòu)并且具有明顯的導(dǎo)電性。從某種程度上講，導(dǎo)電性與活化溫度有關(guān)，并在高溫下導(dǎo)電性會(huì)增強(qiáng)。
孔隙結(jié)構(gòu)
活性炭分為大孔、過渡孔和微孔。大孔的內(nèi)表面能發(fā)生多層吸附，在活性炭中所占比例很少，所以大部分只能起著通路作用。但它作為支配吸附速度的因素，在實(shí)際應(yīng)用中也是非常重要的。過渡孔的作用在許多情況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進(jìn)行的，吸附量受微孔的支配。
化學(xué)結(jié)構(gòu)
在空氣中灼燒活性炭所得到的殘燼通常被稱為灰分。通過元素分析表明，在活性炭的碳骨架中還存在一定數(shù)量的雜原子，其中的雜原子與碳間通過化學(xué)鍵相互聯(lián)系。活性炭的活性來源于和其他雜原子相連的碳原子所呈現(xiàn)的強(qiáng)烈吸附能力。
活性炭再生
再生：采用一些特殊的方法，可以是物理、化學(xué)、生物方法等等，將吸附在活性炭表面的吸附質(zhì)除去，恢復(fù)活性炭吸附能力。
再生的方法有：加熱再生法、化學(xué)藥劑再生法、化學(xué)氧化再生法、生物再生法、濕式再生法、超聲波再生法等等。
化學(xué)藥劑再生
無機(jī)化合物藥劑再生：無機(jī)酸（H2SO4、HCl）或堿（氫氧化鈉）等無機(jī)藥劑是吸附在活性炭上的污染物脫附。
有機(jī)溶劑再生：采用苯、丙酮及甲醇等有機(jī)溶劑萃取吸附在活性炭上的有機(jī)化合物。
化學(xué)氧化再生
濕式氧化再生法：在液相狀態(tài)下，用空氣中的氧在高溫、高壓下將吸附的有機(jī)物氧化的過程。一般用于粉末狀活性炭再生。
電解氧化法：將碳作陽極，進(jìn)行水的電解，在活性炭表面產(chǎn)生的氧氣把吸附質(zhì)氧化分解。
臭氧氧化法：利用強(qiáng)氧化劑（O3），將吸附在活性炭上的有機(jī)物加以分解。
生物再生
在微生物的作用下，對(duì)飽和炭接種經(jīng)過驅(qū)化培養(yǎng)的菌種，吸附在活性炭上的有機(jī)物解吸并被微生物分解，從而使得飽和炭得到再生。
超聲波再生
在超聲波空化作用下水中可以形成瞬時(shí)的高溫高壓氣泡，這些氣泡有利于有機(jī)物的分解。特點(diǎn)：能量大多集中在活性炭局部，能耗比較小，再生設(shè)備簡(jiǎn)單，活性炭再生損失小。
安全事宜
注意事項(xiàng)
活性炭被列入危險(xiǎn)化學(xué)品名錄，屬于自燃物品，必須存放在盡可能防火的建筑內(nèi)，不可以與氧化劑混放；應(yīng)儲(chǔ)存于陰涼干燥處，防止內(nèi)外包裝袋破裂，防止受潮和吸附空氣中其他物質(zhì)，影響使用效果；嚴(yán)禁與有毒有害氣體或易揮發(fā)物質(zhì)混放，存放要遠(yuǎn)離污染源。
活性炭在運(yùn)輸過程中，不得用鐵鉤拖拽。應(yīng)防止與堅(jiān)硬物質(zhì)混裝，不可強(qiáng)烈振動(dòng)、摩擦、踩、砸，嚴(yán)禁拋挪，應(yīng)輕裝輕卸，以減少炭粒破碎，影響使用。
法規(guī)
中國《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB2760—2014）規(guī)定，活性炭可用作助濾劑，主要用于油脂加工工藝，殘留量不需限定。美國食品藥品監(jiān)督管理局規(guī)定其參考用量：葡萄酒0.9%；雪梨酒0.25%；葡萄汁0.4%。
參考資料 >