活性炭（也称为活性炭， 活性炭或活性炭）是一种碳的形式，经过加工使其极其多孔，因此具有非常大的表面积可用于吸附和化学反应。它通常来自木炭。

活性炭对于各种应用是有价值的。实例包括气体净化，水净化，金属提取，金回收，药物，污水处理，防毒面具和过滤面罩中的空气过滤器，以及压缩空气中的过滤器。此外，活性炭可用于封闭空间如冰箱和仓库的除臭。对于有用的应用的充分活化可以仅来自高表面积，尽管进一步的化学处理通常会增强材料的吸附能力。

生产

活性炭由碳质原料如坚果壳，木材和煤炭生产。它可以通过以下过程之一生成：

1. 物理再活化：使用气体将前体发展成活性炭。这通常通过使用以下过程之一或组合以下过程来完成：
   • 碳化：碳含量的材料在600-900°C的温度下，在没有空气的情况下热解（通常在惰性气氛中，如氩气或氮气）
   • 活化/氧化：原料或碳化材料在高于250℃的温度下暴露于氧化气氛（二氧化碳，氧气或蒸汽），通常在600-1200℃的温度范围内。
2. 化学活化：用化学物质如磷酸或碱如氢氧化钾，氢氧化钠或盐如氯化锌浸渍，然后在450-900℃的温度下碳化。据信碳化/活化步骤与化学活化同时进行。在某些情况下，该技术可能存在问题，因为例如锌痕迹残留物可能残留在最终产品中。然而，由于较低的温度和活化材料所需的较短时间，化学活化优于物理活化。

分类

活性炭是复杂的产物，难以根据其行为，表面特征和制备方法进行分类。然而，基于其物理特性，对于一般目的进行了一些广泛的分类。

粉状活性炭（PAC）

传统上，活性炭特别是以小于1.0mm的粉末或细颗粒形式制成，平均直径在0.15和0.25mm之间。因此，它们具有大的表面 - 体积比，具有小的扩散距离。PAC由粉碎或磨碎的碳颗粒组成，其中95-100％将通过指定的筛网或筛网。颗粒活性炭定义为活性炭保留在50目筛（0.297mm）和PAC材料作为更细的材料，而ASTM分类对应于80目筛（0.177mm）和更小的PAC作为PAC。由于可能发生高水头损失，PAC不常用于专用容器中。PAC通常直接添加到其他工艺单元，例如原水进水口，快速混合盆，澄清池和重力过滤器。

颗粒活性炭（GAC）

与粉末状活性炭相比，粒状活性炭具有相对较大的粒径，因此具有较小的外表面。因此吸附物的扩散是一个重要因素。因此，这些碳对于气体和蒸汽的所有吸附是优选的，因为它们的扩散速率更快。颗粒状碳用于水处理，除臭和流动系统组分的分离。GAC可以是颗粒形式也可以是挤出形式。GAC的尺寸如8x20,20x40或8x30用于液相应用，4x6,4x8或4x10用于气相应用。20x40碳是由颗粒制成的，这些颗粒将通过美国标准网格尺寸20号筛（0.84毫米）（通常规定为85％通过），但保留在美国标准筛网尺寸40号筛（0。42毫米）（通常指定保留95％）。AWWA（1992）B604使用50目筛（0.297mm）作为最小GAC尺寸。最受欢迎的水相碳是12x40和8x30尺寸，因为它们具有良好的尺寸，表面积和水头损失特性的平衡。

挤出活性炭（EAC）

由挤出和圆柱形活性炭组成，直径为0.8至45毫米。这些主要用于气相应用，因为它们具有低压降，高机械强度和低灰尘含量。

浸渍碳

含有几种无机浸渍剂如碘，银，阳离子如Al，Mn，Zn，Fe，Li，Ca的多孔碳也已经制备用于特别是在博物馆和画廊中的空气污染控制中。由于抗微生物/防腐性能，载银活性炭用作家用水净化的吸附剂。通过用活性炭和絮凝剂Al（OH）3的混合物处理天然水，可以从天然水中获得饮用水。浸渍碳也用于吸附H 2 S和硫醇。据报道，H 2 S的吸附率高达50％（重量）。

聚合物涂层碳

多孔碳材料可以涂有生物相容性聚合物，以提供光滑和可渗透的涂层而不会堵塞毛孔。所得的碳可用于血液灌流。血液灌流是一种治疗技术，其中大量患者的血液通过吸附剂物质以从血液中去除有毒物质。

其他

活性炭也有特殊形式，如布料和纤维。

属性

由于其高度微孔性的，活性炭的单克（g）可在超过500平方米（具有的表面积米 ²），与1500平方米的是容易实现的。表面积通常由氮气吸附确定。相比之下，网球场面积约为260平方米。碳气凝胶虽然更昂贵，但具有更高的表面积，可用于特殊应用。

在电子显微镜下，显示出活性炭的高表面积结构。单个颗粒强烈地卷曲并显示出各种孔隙; 可能存在许多区域，其中石墨状材料的平坦表面彼此平行，仅相隔几纳米左右。这些微孔为吸附发生提供了极好的条件，因为吸附材料可以同时与许多表面相互作用。的吸附行为测试通常是用做氮气气体在77 ķ高下真空但是在日常生活中，活性炭完全能够通过从其环境中吸附来自100 °C蒸汽的液态水和1 / 10,000大气压的压力来产生等效物。

物理上，活性炭通过范德华力或伦敦分散力结合材料。

活性炭不能很好地与某些化学物质结合，包括醇类，二醇类，氨，强酸和碱，金属和大多数无机物，如锂，钠，铁，铅，砷，氟和硼酸。活性炭确实很好地吸收碘，实际上碘值（mg / g）（ASTM D28标准方法测试）用作总表面积的指示。

活性炭可用作各种化学品应用的基质，以提高其吸附一些无机（和有机）化合物的能力，如硫化氢（H 2 S），氨（NH 3），甲醛（HCOH），汞（Hg）和放射性同位素碘-131（131 I）。这种性质称为化学吸附。

表征参数

碘值

许多碳优先吸附小分子。碘值是用于表征活性炭性能的最基本参数。

• 它是活动水平的量度（更高的数字表示更高的活化程度），通常以mg / g（典型范围500-1200mg / g）报告。
• 它是通过从溶液中吸附碘来测量活性炭的微孔含量（0至20，或至多2nm）。
• 它相当于活性炭表面积在900m²/ g和1100m²/ g之间。
• 它是液相应用的标准测量方法。

碘值定义为当残留滤液中的碘浓度为0.02正常时，1克碳吸附的碘的毫克数。基本上，碘值是吸附在孔中的碘的量度，因此，表示目标活性炭中可用的孔体积。通常，水处理碳具有600至1100的碘值。

通常，该参数用于确定使用中碳的耗尽程度。但是，应谨慎对待这种做法，因为与吸附物的化学相互作用可能会影响碘摄取，从而产生错误的结果。因此，如果已经证明碘值与吸附物没有化学相互作用，并且如果碘值与耗尽程度之间存在实验关系，则只能推荐使用碘值作为碳床耗尽程度的指标。已针对特定应用确定。

糖蜜数量

一些碳更擅长吸附大分子。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大孔含量（大于20，或大于2nm）。高糖蜜数表明大分子的高吸附（范围95-600）。糖蜜的效率报告为百分比（范围40-185％）和糖蜜数量相似（600 = 185％，425 = 85％）。欧洲糖蜜数量（范围525-110）与北美糖蜜数量成反比。

糖蜜数量是标准糖蜜溶液的脱色程度的量度，该标准糖蜜溶液已经针对标准化活性炭稀释和标准化。由于有色体的大小，糖蜜数代表可用于较大吸附物质的潜在孔体积。由于在特定的废水应用中所有的孔体积可能都不可用于吸附，并且由于一些吸附物可能进入较小的孔隙，因此对于特定应用而言，它不是特定活性炭的价值的良好量度。通常，该参数可用于评估一系列活性炭的吸附速率。给出两个具有相似孔吸附量的活性炭，

单宁吸附

单宁是大中型分子的混合物。具有大孔和中孔的组合的碳吸附单宁。据报道，碳以百万分之一浓度（范围200ppm-362ppm）吸附单宁的能力。

亚甲蓝吸附

一些碳具有吸附中等尺寸分子的中孔结构，例如染料亚甲基蓝。据报道，亚甲蓝吸附量为g / 100g（范围11-28g / 100g）。

表观密度

更高的密度提供更大的体积活性，通常表明更好的活性炭质量。

硬度/磨损数

它是衡量活性炭耐磨性的指标。它是活性炭的重要指标，以保持其物理完整性并承受反洗等所施加的摩擦力。根据原料和活性水平，活性炭的硬度存在很大差异。

灰分含量

灰分含量降低了活性炭的总活性，降低了再活化的效率。金属（Fe 2 O 3）可以从活性炭中浸出，导致变色。

酸/水溶性灰分含量比总灰分含量更重要。可溶性灰分对于鱼友来说非常重要，因为氧化铁可以促进藻类生长，具有低可溶性灰分的碳应该用于海洋，淡水鱼和珊瑚缸，以避免重金属中毒和过量的植物/藻类生长。

四氯化碳活性

通过吸附饱和四氯化碳蒸气测量活性炭的孔隙率。

粒度分布

活性炭的粒径越细，表面积越大，吸附动力学的速度越快。在气相系统中，需要考虑压降，这将影响能量成本。仔细考虑粒度分布可以提供显着的操作益处。

吸附的例子

多相催化

工业中最常遇到的化学吸附形式发生在固体催化剂与气态原料即反应物相互作用时。反应物吸附到催化剂表面产生化学键，改变反应物分子周围的电子密度，并使其经历通常不能获得的反应。

吸附制冷

吸附制冷和热泵循环依赖于制冷剂气体在低压下吸附到吸附剂中并随后通过加热解吸。吸附剂充当由热驱动的“化学压缩机”，并且从这个观点来看，是系统的“泵”。它由太阳能收集器，冷凝器或热交换器和放置在冰箱箱中的蒸发器组成。收集器的内部衬有吸附床，该吸附床填充有被甲醇吸收的活性炭。冰箱箱子充满水。活性炭可在环境温度下吸附大量甲醇蒸气，并在较高温度（约100摄氏度）下解吸。在白天，阳光照射到收集器，因此，收集器被加热，甲醇从活性炭中解吸。在解吸过程中，吸附在木炭中的液态甲醇加热并蒸发。甲醇蒸汽冷凝并储存在蒸发器中。

在晚上，收集器温度降低到环境温度，并且木炭从蒸发器吸附甲醇。蒸发器中的液态甲醇蒸发并吸附来自托盘中所含水的热量。由于吸附是释放热量的过程，因此必须在夜间有效地冷却收集器。如上所述，吸附式制冷系统以间歇方式操作以产生制冷效果。

氦气也可以通过在4 开尔文和更高温度之间热循环活性炭“吸附泵”来“泵送” 。这方面的一个例子是为Oxford Instruments AST系列稀释冰箱提供冷却功率。3蒸汽从液体4 He及其同位素3 He 的混合物的稀相表面泵出。的3他被吸附到在低温下（通常<4K）的碳的表面上，20和40 k之间的泵的再生返回3他对液体混合物的浓缩相。冷却发生在两个液相之间的界面处为3他在相界上“蒸发”。如果系统中存在多于一个泵，则可以通过使一个吸附泵再生而另一个吸入泵来获得连续的气流并因此获得恒定的冷却功率。这样的系统可以在很少的运动部件的情况下获得低至10 mK（0.01开尔文）的温度。

应用

活性炭用于气体净化，金净化，金属提取，水净化，医药，污水处理，防毒面具和过滤面罩中的空气过滤器，压缩空气过滤器和许多其他应用。

一个主要的工业应用涉及在金属精加工领域中使用活性炭。它广泛用于电镀溶液的纯化。例如，它是从光亮镀镍溶液中除去有机杂质的主要纯化技术。在电镀液中加入各种有机化学品，以改善其沉积质量，并提高亮度，光滑度和延展性等性能。由于直流电和阳极氧化和阴极还原的电解反应，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镀敷质量和沉积金属的物理性质产生不利影响。活性炭处理去除了这些杂质并将电镀性能恢复到所需水平。

环境应用

碳吸附在去除现场和工业过程中的空气或水流中的污染物方面具有多种应用，例如：

• 溢出清理
• 地下水修复
• 饮用水过滤
• 空气净化
• 挥发性有机化合物可从油漆，干洗，汽油分配操作和其他过程中捕获

医疗应用

活性炭用于治疗口服摄入后的中毒和过量。

它被认为与毒物结合并防止其被胃肠道吸收。在怀疑中毒的情况下，医务人员要么在现场或在医院的急诊室管理活性炭。剂量通常为1克/千克体重的经验，通常仅给予一次。根据服用的药物，可能不止一次。在极少数情况下，活性炭用于重症监护，以过滤中毒患者血液中的有害药物。活性炭已成为许多中毒的首选治疗方法，现在很少使用其他去污方法，如吐根引起的呕吐或胃泵。

尽管活性炭在急性中毒情况下是有用的，但已经证明它在长期积累毒素方面是无效的，例如使用有毒的除草剂。[1]

行动机制：

• 结合毒素，防止胃和肠道吸收。结合是可逆的，因此也可以加入诸如山梨糖醇的泻药
• 它可以中断一些药物/毒素及其代谢产物的肠肝循环
• 允许某些药物/毒素从血液中抽出并与肠道中的木炭结合- 一种“肠道透析”

不正确的应用（例如，进入肺部）导致肺吸入，如果不立即开始治疗，有时可能致命。[2]当摄入的物质是酸，碱或石油产品时，禁止使用活性炭。

对于院前使用，它来自塑料管或瓶子，通常12.5或25克，预先与水混合。商品名包括InstaChar，SuperChar，Actidose和Liqui-Char，但通常称为活性炭。

作为非处方药，它通常用于治疗轻度腹泻。

气体净化

带有活性炭的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气，气味和其他碳氢化合物。最常见的设计使用1级或2级过滤原理，其中活性炭嵌入过滤介质内。活性炭也用于太空服初级生命支持系统。

蒸馏酒精饮料净化

活性炭过滤器可用于过滤有机杂质的伏特加和威士忌。由于活性炭不能很好地与醇结合，因此乙醇的百分比不会受到显着影响，但碳会结合并除去许多可能影响颜色，味道和气味的有机杂质。

从烟道气中洗去汞

通常用碘或硫浸渍的活性炭广泛用于捕获燃煤发电站，医疗焚烧炉和井口天然气的汞排放。这种碳是一种特殊产品，但​​通常不能回收利用。

含汞活性炭存在处理问题。如果活性炭含有低于百万分之260（ppm）的汞，联邦法规允许其稳定（例如，被困在混凝土中）进行填埋。但是，含有超过260 ppm的废物被认为属于“高汞”子类别，并被禁止填埋（Land-Ban Rule）。这种材料现在在仓库和深度废弃的矿山中累积，估计每年1000吨。

也可以看看

• 吸附
• 碳
• 催化剂
• 木炭

笔记

1. ↑ M. Eddleston，E。Juszczak，NA Buckley，et al。，多剂量活性炭在急性自我中毒：一项随机对照试验，Lancet371（9612）：579。
2. ↑ C. Elliott，T。Colby，T。Kelly和H. Hicks，Charcoal lung。活性炭吸入后闭塞性细支气管炎，胸部 96（3）：672-674。

参考

• Bansal，Roop Chand和Meenakshi Goyal。活性炭吸附。Boca Raton：Taylor＆Francis，2005。ISBN 978-0824753443。
• Marsh，Harry和F.Rodríguez-Reinoso。活性炭。Amsterdam：Elsevier，2006。ISBN 978-0080444635。
• 杨，RT 吸附剂：基础和应用。Hoboken，NJ：Wiley-Interscience，2003。ISBN 0471297410。