活性炭是什么？关于活性炭的科普介绍

活性炭是一种经过特殊处理的碳形式，具有多孔结构，堆积密度低，比表面积大，可用于过滤吸附或制备催化剂载体。

由于其高度微孔化，一克活性炭的表面积可超过3，000   。活性炭的一切应用，几乎都基于活性炭的这一特点。通过进一步的化学处理可提高其吸附性能。

活性炭通常是由木炭制备的。由煤或玉米制备的被称为活性煤。活性焦来源于焦炭。

种类

按原料来源分

• 煤质活性炭

• 木质活性炭

• 合成材料活性炭

• 其他类活性炭

按活化方法分

• 化学法活性炭

• 物理法活性炭

• 化学－物理法活性炭

• 物理－化学法活性炭

按外观形状分

• 粉状活性炭

• 颗粒活性炭

• 成形活性碳

• 圆柱形活性炭

• 球形活性炭

• 活性炭纤维

• 蜂窝活性炭

• 其它形状的活性炭

制备

活性炭的制备主要包括炭化-活化-再生三个步骤。

炭化：将有机原料（果壳、煤、木材等）在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分。

活化：将炭化后的物质与气体或化学药剂进行反应，使其表面被侵蚀，产生发达的微孔结构。

再生：活性炭被使用后，在不破坏其原有结构的前提下，去除吸附于活性炭微孔的吸附质，恢复其吸附性能。

其中活化是活性炭制备的关键步骤。

活化

1、 物理活化

首先，含碳材料在600-900°C的温度范围内进行热解，通常在惰性气体如氩或氮环境中进行。然后将已炭化处理的原料在 600–1200 ℃的高温下与水蒸气，烟道气（水蒸气、  、  等的混合气）、CO或空气等活化气体接触，产生一种分级的、经过筛选和除尘的活性炭。

2、 化学活化

在碳化之前，将各种含碳原料与化学药品均匀地混合后，在一定温度下，经历炭化、活化、回收化学药品、漂洗、烘干等过程制备活性炭。磷酸，氢氧化钾，氢氧化钠，氯化钙，氯化锌等都可作为活化试剂。将炭置于较低的温度（250–600°C）下进行活化。一般认为，活化剂具有侵蚀溶解纤维素的作用，并且能够使原料中的碳氢化合物所含有的氢和氧分解脱离，从而产生大量孔隙。由于活化材料所需的温度较低、质量一致性较好、时间较短，化学活化优于物理活化。

再生

1、 热再生

工业过程中最常见的再生技术是热再生。热再生过程通常包含三个步骤：

• 干燥：去除活性炭上的水分等可挥发性成分。

• 高温炭化：使吸附在活性炭上的部分有机物汽化脱附，部分有机物发生分解，以小分子物质脱附出来，残余的成分留在活性炭孔隙内成为固定炭。

• 活化：通入    、CO或水蒸气等气体，去除前一步骤在多孔结构中形成的烧焦有机残留物，并重新暴露多孔碳结构，以再生其原始表面特性。再生工艺的核心是活化阶段。

在每个吸附-热再生循环中，部分碳床被烧掉，导致吸附能力的损失。热再生所需温度高，使其成为一个能量和商业成本都很高的过程。

2、 其他再生技术

由于活性炭热再生的高能量/高成本特性，其替代方法备受关注。目前可供选择的其他再生方法有：

• 化学和溶剂再生

• 微生物再生

• 电化学再生

• 超声波再生

• 湿空气氧化

应用

活性炭已经被广泛应用于工业、医药、环境、农业、国防、食品等各个领域。

电镀液处理

在金属表面处理中可使用活性炭净化电镀溶液，去除有机杂质。在镀液中加入多种有机化学品，用于改善镀层质量，提高光亮、光滑、延展性等性能。由于阳极氧化和阴极还原过程中的直流电和电解反应，有机添加剂在溶液中产生不需要的分解产物。它们的过度堆积会对电镀质量和金属镀层的物理性能产生不利影响。活性炭处理可去除这些杂质，并将电镀性能恢复到所需水平。

多相催化

工业中最常见的化学吸附形式是固体催化剂与气体原料反应物相互作用。气体反应物可吸附在活性炭制成的催化剂表面形成化学键，改变反应物分子周围的电子密度，并使其发生通常不可能发生的反应。

医疗用途

活性炭可以用于治疗中毒和用药过量。通过摄入活性炭，可以迅速吸收有害物质，以免对人体造成更进一步伤害。活性炭片剂或胶囊在许多国家作为非处方药物被用于治疗腹泻、消化不良和胃肠胀气。然而，如果中毒是由于摄入腐蚀性物质，如碱和强酸、铁、硼酸、锂、石油产品或酒精，则通常无效。活性炭无法阻止人体吸收这些化学物质。活性炭对强酸或碱、氰化物、铁、锂、砷、甲醇、乙醇或乙二醇中毒尤其无效。不正确的操作（例如进入肺）会导致肺吸入，如果不立即开始治疗，可能会致命。

分析化学应用

在分析或制备方案中，用50%w/w的活性炭和硅藻土作为固定相，以乙醇溶液（5–50%）作为流动相，用于低压色谱分离碳水化合物（单糖、双糖、三糖）。

活性炭可用于从血浆样品中直接提取达比加群、阿哌沙班、利伐塞班和依杜沙班等口服抗凝剂。由于这种活性炭对凝血因子、肝素或大多数其他抗凝剂没有影响，因此可以分析血浆样本是否存在DOACs（一种抗凝血药物）影响的异常。

环境应用

用于污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化，例如：

• 有害物溢出清理

• 地下水修复

• 饮用水过滤

• 空气净化

• 从喷漆、干洗、汽油分配操作和其他过程中捕获挥发性有机化合物

• 烟气治理

农业用途

在牲畜生产中，它被用作杀虫剂、动物饲料添加剂、加工助剂、非农业成分和消毒剂。

酒精饮料净化

在有机酿酒中，活性炭可以用作加工剂，从白葡萄浓缩物中吸附棕色色素。活性炭过滤器可用于过滤伏特加和威士忌中可能影响颜色、味道和气味的有机杂质。以适当的流速将不纯净的伏特加通过活性炭过滤器，将产生酒精含量相同的伏特加，并且根据气味和味道判断，有机纯度显著提高。

气体储藏

多孔材料就像海绵一样储存不同类型的气体。气体通过范德华力被碳材料吸附。温度较高时，气体可以被解吸，或者燃烧。活性炭储气是一种很有吸引力的储气方法，因为它可以储存在低压、低质量、低体积的环境中，比大型车载压力罐更为可行。

气体净化

活性炭过滤器通常用于压缩空气和气体净化，以去除空气中的油蒸汽、气味和其他碳氢化合物。最常见的设计采用一级或二级过滤原理，将活性炭嵌入过滤介质中。

活性炭过滤器还可用于将放射性气体保留在从核沸水堆涡轮冷凝器中抽真空出来的空气中。大型木炭床吸附这些气体，并在它们迅速衰变为非放射性固体时保留它们。当过滤后的空气通过时，固体颗粒被截留在木炭颗粒中。

化学净化

活性炭通常用于实验室中净化含有不需要的有色有机杂质的有机分子溶液。出于相同的目的，在大规模精细化工和制药工艺中使用活性炭过滤。碳或者与溶液混合，然后过滤掉，或者固定在过滤器中。

性能

碘值

活性炭对碘有很好的吸附作用，碘容量（mg/g，典型范围为500-1200mg/g）可用于指示总表面积。许多碳优先吸附小分子。碘值是表征活性炭性能的基本参数。 它通过从溶液中吸附碘来测量活性炭的微孔（0至20Å，或高达2nm）含量。

糖浆

有些碳更善于吸附大分子。 糖蜜数或糖蜜效率是通过从溶液中吸附糖蜜来测量活性炭的中孔（大于20Å或大于2nm）含量。活性炭在液相中的脱色力常用活性炭对糖蜜溶液的脱色能力来表示。糖蜜值代表了较大吸附物种可用的潜在孔隙体积。当两种活性炭具有相似的吸附孔体积时，糖蜜数较高的活性炭通常具有较大的进料孔，从而使吸附质更有效地转移到吸附空间。

鞣酸

单宁是大分子和中等分子的混合物。 同时具有大孔和中孔的活性炭吸附单宁。 活性炭吸附单宁的能力以ppm（200-362 ppm）表示。

亚甲蓝

一些碳具有中孔（20至50Å，或2至5纳米）结构，可吸附中等大小的分子，如染料亚甲基蓝。亚甲基蓝吸附量以g/100g（范围11-28g/100g）表示。

四氯化碳活性

通过吸附饱和四氯化碳蒸汽来测量活性炭的孔隙率。

堆积密度

堆积密度是每单位体积活性炭的质量。大部分活性炭堆积密度通常为400至500kg/m3。更高的密度提供更大的体积活性，通常表明活性炭质量更好。 

磨损值

磨损值是衡量活性炭耐磨性的一个指标，用于衡量活性炭保持其物理完整性和承受摩擦力的性能。根据原材料和活性水平的不同，活性炭的硬度有很大差异。

灰分

灰分降低了活性炭的整体活性，降低了再活化的效率，取决于用于生产活性炭的基础原料（如椰子、木材、煤等）。 酸/水溶性灰分含量比总灰分含量更重要。可溶性灰分含量低的碳应用于海水、淡水鱼和礁槽，以避免重金属中毒和植物/藻类过度生长。

粒度分布

活性炭粒径越细，其表面积越大，吸附动力学速率越快。在气相系统中，需要考虑到对压降的影响，这将影响能源成本。仔细考虑粒径分布可提供显著的操作效益。然而，在使用活性炭吸附金等矿物的情况下，颗粒尺寸应在1.4-3.35mm范围内。粒径小于1mm的活性炭不适合洗脱（从活性炭中剥离矿物质）。

性能和反应性的改进

• 传统活性炭的表面是活性的，能够被大气中的氧和氧等离子体蒸汽氧化，也能被二氧化碳和臭氧氧化。

• 活性炭在液相中的氧化是由多种试剂（硝酸、过氧化氢、硝酸钾）引起的。

• 活性炭可以与氯，溴和氟相互作用。

• 与其它碳材料一样，活性炭的表面可以在液相中通过氟聚醚过氧化物进行氟烷基化处理，或通过化学气相沉积法与各种含氟有机物质结合。这种材料结合了高疏水性和化学稳定性以及导电性和导热性，可用作超级电容器的电极材料。

• 磺酸官能团可以附着在活性炭上，形成“星形基团”，可用于选择性催化脂肪酸的酯化反应。由卤化前体形成的此类活性炭提供了一种更有效的催化剂，被认为是残留卤素改善稳定性的结果。

• 活性炭的某些化学性质归因于表面活性炭存在的双键。

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