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活性炭
具有吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)的碳
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。
基本信息
中文名
活性炭
英文名
Carbon Active
性質(zhì)
外觀
黑色細(xì)微粉末或顆粒
氣味
無味
密度
1.8g/cm~2.1g/cm
熔點(diǎn)
3652℃
沸點(diǎn)
4827℃
活性炭主要由碳元素組成，還含有少量的氫、氧元素，熔點(diǎn)為3652℃，沸點(diǎn)為4827℃，相對密度為1.8~2.1，表觀相對密度0.08~0.45，含碳量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年埃及就在醫(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。
分類
按外形分
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。
錦綸活性炭
錦綸活性炭是以錦綸為黏合劑，將粉末狀活性炭制成顆粒，其總比表面積介于上述兩種活性炭之間，但吸附力較兩者都弱，因?yàn)殄\綸不僅起黏合作用，而且還是一種活性炭的脫活性劑。它可用來分離因前兩種活性炭吸附力太強(qiáng)而不易洗脫的吸附物。
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
按使用場合分，活性炭的種類有：氣相炭、液相炭等。
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）。
主要性能
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物理作用力―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，特別是升溫時(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則形成多分子層吸附。此外，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，被吸附物固定吸附在某些活性點(diǎn)上，不易脫離且可逆性差，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，因此化學(xué)吸附具有選擇性。化學(xué)吸附的作用力范圍不超過分子大小，因而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，水的脫氯和氯酸的去除都是由于活性炭的催化作用。
離子交換作用
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。
結(jié)構(gòu)
微晶結(jié)構(gòu)
活性炭被稱為無定形碳。研究表明，作為無定形碳，活性炭結(jié)構(gòu)中含有石墨微晶，這些微晶是尺寸為1nm~3nm的結(jié)晶。石墨微晶類似于石墨的二向結(jié)構(gòu)，但又與石墨不太相同，活性炭中的結(jié)構(gòu)一般被稱為亂層結(jié)構(gòu)。
X射線衍射分析表明，活性炭存在有序的石墨結(jié)構(gòu)，通常具有明顯的導(dǎo)電性。在某種程度上，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)。因?yàn)樵诟邷厍闆r下氧化物的絕緣性消失，并生成較大的單元晶粒。
孔隙結(jié)構(gòu)
由石墨晶粒和無定形碳所組成的多相物質(zhì)決定著活性炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，單個(gè)微粒間呈現(xiàn)眾多的裂縫和孔隙。故將活性炭分為大孔、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，由于它的比例很少，所以大部分只能起著作為被吸附質(zhì)進(jìn)入吸附部位的通路作用。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。過渡孔的作用不是單純的，在許多情況下和大孔作用相同，作為被吸附質(zhì)的通路而支配著吸附速度，對不能進(jìn)入微孔的大分子也起中孔著吸附部位的作用。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。微孔的生成，使得微量的重量損失就能形成非常大的比表面積，而比表面積是衡量活性炭性能的一個(gè)主要指標(biāo)。
化學(xué)結(jié)構(gòu)
在空氣中灼燒活性炭時(shí)，可得到一定數(shù)量的殘燼，即通常所稱的灰分。原料和不完全洗滌后所殘留的活性添加劑或催化劑成為上述無機(jī)組分的來源。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，其中的雜原子與碳原子間通過化學(xué)鍵相互聯(lián)系。在活性炭的結(jié)構(gòu)中還含有不飽和的化學(xué)鍵，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。
化學(xué)組成
活性炭的有機(jī)組成部分中，氧含量在3%~5%，氫含量在1%~2%左右。活性炭有機(jī)質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)除了碳骨架之外，還有由碳、氧等元素形成的原子基團(tuán)，稱為官能團(tuán)。這些官能團(tuán)的存在對于活性炭的吸附過程有重要的影響。活性炭的有機(jī)官能團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)。活性炭制備方法和工藝對產(chǎn)物含氧官能團(tuán)的種類和含量有很大的影響。水蒸氣法制備的活性炭中，氧主要以羥基和羧基的形式存在；氯化鋅法生產(chǎn)的活性炭，碳基氧和醚基氧占的比例較大。活性炭中常見的官能團(tuán)有羧基、羥酚基、醌型羥基，以及醚、過氧化物、酯、熒光素內(nèi)酯、酸酸酐和環(huán)狀過氧化物。
活性炭的主要無機(jī)組分是碳，還含有氫、氧、氮、硫等元素。活性炭是一種疏水性的非極性吸附劑，能選擇性地吸附非極性物質(zhì)。但是，當(dāng)活性炭表面上有表面氧化物和礦物質(zhì)存在時(shí)，對極性物質(zhì)的吸附能力就會(huì)增強(qiáng)。因?yàn)榧嬗形锢砦胶突瘜W(xué)吸附的作用，所以活性炭能吸附多種物質(zhì)。活性炭中的礦物質(zhì)組成十分復(fù)雜，主要是硅、鐵、鈣、鎂、鋁、鈉、鉀的氧化物和鹽。活性炭燃燒所得灰分中的堿金屬化合物一般溶于水；堿土金屬如鐵的化合物溶于醋酸；最難處理的是酸性化合物，它們只能用氫氟酸除去。產(chǎn)品活性炭的灰分受原料、活化工藝、產(chǎn)品炭后處理方法等的影響很大。
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。
物理活化法
物理活化又稱為氣體法，是以水蒸氣、空氣、二氧化碳等為活化劑活化，以侵蝕炭的表面，形成新的孔隙，并且可氧化分解殘留炭中的碳?xì)浠衔?/a>和焦油，清除表面的雜質(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有可能被燒毀，使孔隙擴(kuò)大，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。化學(xué)試劑活化法的特點(diǎn)是：炭化和活化過程可以同步進(jìn)行，而且活化溫度較低在生產(chǎn)過程中可以通過控制活化劑的種類、用量及濃度，在一定程度上來控制成品活性炭的孔徑分布，其孔隙結(jié)構(gòu)比物理活化法更加發(fā)達(dá)，活性炭的收率較高。現(xiàn)在經(jīng)常用到的活化劑種類有各種無機(jī)鹽類、堿金屬及一些酸類。目前比較成熟并且被廣泛應(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。
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
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。在連續(xù)完全封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，操作要求嚴(yán)格，設(shè)備復(fù)雜。
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
是對飽和炭接種經(jīng)過驅(qū)化培養(yǎng)的菌種，在微生物的作用下，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。優(yōu)點(diǎn)：成本低，設(shè)備簡單。缺點(diǎn)：需要的時(shí)間比較長，再生過程受溫度影響大，而且再生效率比較低。此外，降解過程中，還有可能產(chǎn)生毒性更大的物質(zhì)。
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)備簡單，活性炭再生損失小。
高頻脈沖再生
無需將活性炭先干燥，然后通過升溫的方式來逐步去除揮發(fā)性及不揮發(fā)性有機(jī)物，而是將含水的活性炭直接放在再生爐中，對再生爐施加以交替的電磁場作用，所吸附的有機(jī)物在這種作用下不斷運(yùn)動(dòng)，在孔隙內(nèi)產(chǎn)生局部高溫，從而產(chǎn)生分解作用。
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尼古丁、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。
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；合成醋酸乙烯催化劑醋酸鋅的載體；氯乙烯單體合成用催化劑升汞（氯化汞）的載體等。
煤氣脫硫
煙道氣脫硫脫硝
煤炭是我國最主要的能源，在煤炭燃燒過程中會(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。
安全事宜
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。
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