活性炭 Activated Carbon

一、活性炭的本质与结构

• 核心成分：以碳元素为主要成分（碳含量通常在 90% 以上），还可能含有少量氢、氧、氮等元素，这些元素多来自原材料中的残留或活化过程中的反应。

• 孔隙结构：这是其吸附能力的关键。内部布满大小不一的孔隙，可分为三类：

  • 微孔（Micropores）：孔径＜2nm，占比最大，是吸附小分子物质（如气体、溶剂分子）的主要场所，决定了活性炭对低浓度物质的吸附能力。

  • 中孔（Mesopores）：孔径 2-50nm，主要用于吸附较大分子物质（如有机物、胶体），同时也是小分子扩散进入微孔的通道。

  • 大孔（Macropores）：孔径＞50nm，作用类似 “交通枢纽”，为被吸附物质提供进入中孔和微孔的通道，尤其在液体吸附中影响吸附速率。

  
  

• 比表面积：单位质量活性炭所具有的总面积（包括所有孔隙内表面），通常可达 500-2000 m²/g，高者甚至超过 3000 m²/g，巨大的比表面积使其具备极强的吸附潜力。

二、活性炭的制备过程

1. 原材料：来源广泛，常见的有：

   • 植物类：木材、椰壳、果壳（如杏壳、核桃壳）、秸秆、竹子等（其中椰壳活性炭因孔隙结构均匀，吸附性能优异，应用广泛）。

   • 矿物类：煤（烟煤、无烟煤、褐煤）等。

   • 工业废料：树脂、橡胶废料等。

   
   

2. 炭化：将原材料在隔绝空气或有限供氧的条件下，加热至 400-600℃，使其中的有机物（如纤维素、木质素）分解，去除挥发性成分，形成含碳的固体（称为 “炭化料”），此时的炭化料孔隙少、吸附能力弱。

3. 活化：这是提升活性炭吸附性能的关键步骤，通过物理或化学方法扩大炭化料的孔隙并增加比表面积：

   • 物理活化：在高温（800-1000℃）下，通入水蒸气、二氧化碳、空气等气体，使炭化料中的部分碳被氧化，形成更多孔隙（如椰壳活性炭常用水蒸气活化）。

   • 化学活化：用化学试剂（如氯化锌、磷酸等）浸泡原材料，再经高温处理，试剂会促进孔隙生成并去除杂质。

   
   

三、活性炭的吸附原理

• 物理吸附：基于分子间的范德华力（色散力、诱导力等），活性炭的多孔结构提供了大量吸附位点，使气体或液体中的分子被 “捕获” 在孔隙内。物理吸附具有可逆性，在高温或低浓度环境下，被吸附的分子可能脱附。

• 化学吸附：部分活性炭表面会因活化过程形成羟基（-OH）、羧基（-COOH）等官能团，这些官能团可与被吸附物质发生化学反应（如酸碱反应、氧化还原反应），形成稳定的化学键。化学吸附不可逆，适用于需要深度去除特定物质的场景（如处理含重金属离子的废水）。

四、活性炭的分类

1. 按外观形态：

   • 颗粒活性炭（GAC）：呈颗粒状（粒径通常 0.5-4mm），常用于水处理、空气净化的固定床吸附装置。

   • 粉末活性炭（PAC）：粉末状（粒径＜0.18mm），比表面积更大，吸附速度快，多用于应急水处理（如去除水中异味、有机物），但难以回收再利用。

   • 柱状活性炭：圆柱形或条形，机械强度高，适用于气体脱硫、溶剂回收等工业场景。

   • 活性炭纤维（ACF）：纤维状，孔隙更均匀且多为微孔，吸附效率极高，用于高端空气净化、贵金属回收等。

   
   

2. 按原材料：可分为椰壳活性炭、木质活性炭、煤质活性炭、树脂基活性炭等，不同原材料的活性炭在孔隙分布、吸附性能上存在差异（如椰壳活性炭更适合吸附小分子物质）。

五、活性炭的主要应用领域

1. 环保领域：

   • 水处理：去除水中的有机物（如农药、染料）、余氯、异味、重金属离子（如汞、铅）等，广泛用于饮用水净化、工业废水处理、污水处理厂深度处理。

   • 空气净化：吸附甲醛、苯、TVOC 等有害气体，以及异味、烟雾颗粒，应用于空气净化器、防毒面具、室内除味等。

   
   

2. 化工与能源：

   • 溶剂回收：吸附化工生产中挥发的有机溶剂（如乙醇、苯），经脱附后循环使用。

   • 气体分离：分离提纯氢气、氮气、二氧化碳等气体（如从沼气中提纯甲烷）。

   
   

3. 医药与食品：

   • 医药领域：用于药物提纯（去除杂质）、胃肠解毒（口服吸附有毒物质）、伤口敷料（吸附渗出液和细菌）。

   • 食品工业：脱色（如蔗糖、食用油的脱色）、去除异味（如酒类除杂味）、净化食品添加剂等。

   
   

4. 其他领域：如催化剂载体（利用孔隙结构负载催化剂）、电极材料（用于超级电容器）等。

六、活性炭的再生与使用寿命

• 再生意义：活性炭吸附饱和后会失去活性，通过再生可恢复其吸附能力，降低使用成本并减少固废污染。

• 再生方法：

  • 热再生：加热至 800-1000℃，使孔隙内的吸附物分解或挥发，是最常用的方法（适用于多数有机物吸附后的再生）。

  • 化学再生：用酸碱溶液、有机溶剂等浸泡，通过化学反应去除吸附物（如处理吸附重金属后的活性炭）。

  • 生物再生：利用微生物分解孔隙内的有机物（适用于低浓度有机废水处理后的活性炭）。

  
  

• 使用寿命：取决于应用场景、污染物浓度、再生频率等，短则数月（如空气净化器滤芯），长则数年（如工业固定床装置，定期再生可延长至 5-10 年）。

七、活性炭的选购与注意事项

• 选购要点：根据用途选择类型（如水质净化选颗粒活性炭，应急除味选粉末活性炭）；关注比表面积（通常越大吸附能力越强）、孔隙分布（针对性吸附特定分子需匹配孔隙大小）、强度（颗粒活性炭需避免破碎）等指标。

• 注意事项：

  • 避免过度使用：吸附饱和后需及时更换或再生，否则可能释放已吸附的有害物质。

  • 特殊场景适配：如处理高浓度腐蚀性气体或液体时，需选择耐腐蚀性强的活性炭（如煤质活性炭）。

  • 安全存放：远离火源（活性炭可燃，高温下可能自燃），避免受潮（水分会占据孔隙，降低吸附效率）。