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活性炭
具有吸附性強等特點的碳
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、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的定義，活性炭是指炭在炭化前、炭化時、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
黑色細微粉末或顆粒
氣味
無味
密度
1.8g/cm~2.1g/cm
熔點
3652℃
沸點
4827℃
活性炭主要由碳元素組成，還含有少量的氫、氧元素，熔點為3652℃，沸點為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，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。此時原料使用已相當(dāng)廣泛，擴展到用果殼、核、泥煤等，活化方法也多種多樣，理論研究進一步深化。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，為保護環(huán)境和節(jié)省能源，活性炭用途已擴大到空氣凈化、廢水處理、香煙濾嘴等方面。從20世紀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的一類。但因其顆粒太細影響過濾速度，過濾操作時常要加壓或減壓。
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，因為錦綸不僅起黏合作用，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，稱大孔；孔隙直徑為2nm~100nm時，稱中孔（或稱過渡孔）；孔隙直徑為2nm以下時，稱微孔。國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（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。范德華力作用強度小，所以吸附不牢固，是可逆的，特別是升溫時容易解吸，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)鍵合力的強度較大，被吸附物固定吸附在某些活性點上，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，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)電性會增強。因為在高溫情況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)決定著活性炭獨特的結(jié)構(gòu)，單個微粒間呈現(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主要指標。
化學(xué)結(jié)構(gòu)
在空氣中灼燒活性炭時，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)的強烈吸附能力。
化學(xué)組成
活性炭的有機組成部分中，氧含量在3%~5%，氫含量在1%~2%左右。活性炭有機質(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，稱為官能團。這些官能團的存在對于活性炭的吸附過程有重要的影響。活性炭的有機官能團主要是含氧官能團。活性炭制備方法和工藝對產(chǎn)物含氧官能團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，對極性物質(zhì)的吸附能力就會增強。因為兼有物理吸附和化學(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氫化合物和焦油，清除表面的雜質(zhì)，使原來被堵塞的孔隙重新開放。同時，原來孔隙之間的薄壁有可能被燒毀，使孔隙擴大，形成更發(fā)達的孔隙結(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，使原料中的碳氫化合物所含的氫和氧以水蒸氣的形態(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)試劑活化法的特點是：炭化和活化過程可以同步進行，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，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)中進行，操作要求嚴格，設(shè)備復(fù)雜。
電解氧化法：將碳作陽極，進行水的電解，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：利用強氧化劑（O3），將吸附在活性炭上的有機物加以分解。
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物解吸并被微生物分解，從而使得飽和炭得到再生。優(yōu)點：成本低，設(shè)備簡單。缺點：需要的時間比較長，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的高溫高壓氣泡，這些氣泡有利于有機物的分解。特點：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，所吸附的有機物在這種作用下不斷運動，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
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；嚴禁與有毒有害氣體或易揮發(fā)物質(zhì)混放，存放要遠離污染源。
活性炭在運輸過程中，不得用鐵鉤拖拽。應(yīng)防止與堅硬物質(zhì)混裝，不可強烈振動、摩擦、踩、砸，嚴禁拋挪，應(yīng)輕裝輕卸，以減少炭粒破碎，影響使用。
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