一文囊括活性炭的原理、特性、分类、应用详解
什么是活性炭
活性炭是一种由含碳物质制成的微晶质碳材料，外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大，吸附能力强，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭按原料来源可分为：木质活性炭、果壳活性炭、动物骨/血活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭、橡胶/塑料活性炭、再生活性炭等；按外观可分为：粉状、颗粒状、不规则颗粒状、圆柱状、球状和纤维状等。活性炭用途十分广泛，其用途几乎涉及国民经济的各个部门和人们的日常生活，如水的净化、黄金的提取、糖液脱色、药物注射液的精制、血液净化、空气净化、人体安全防护等。
活性炭的成分及生产
活性炭材料是通过加工得到的无定形碳，具有很大的比表面积，对气体和溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒有很好的吸附能力。活性炭材料主要有活性炭（AC）和活性炭纤维（ACF）。活性炭材料作为一种性能优异的吸附剂，主要由其独特的吸附表面结构特征和表面化学性质决定。活性炭材料化学性质稳定，机械强度高，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，可以回收利用，在化工、环保、食品加工、冶金、药物精制、军事防化等各个领域得到了广泛的应用。目前，改性活性炭材料广泛应用于污水处理、大气污染防治等领域，在环境污染治理中日益显示出诱人的前景。
活性炭的80%-90%以上是由碳构成的，这就是活性炭是疏水性吸附剂的原因。其中除碳外，还含有两类掺合物：一类是化学结合元素，主要是氧和氢，这些元素因炭化不完全而残留在碳中，或在活化过程中，外来的非碳元素以化学方式结合在活性炭表面，如用水蒸气活化时，活性炭表面被水蒸气氧化或被氧化所致；另一类掺合物是灰分，是活性炭的无机部分。
活性炭的主要原料可以是几乎所有的富碳有机物，如煤、木材、果壳、椰子壳、核桃壳、杏壳、枣壳等。这些含碳物质在活化炉中经高温和一定压力热解转化为活性炭。在这个活化过程中，逐渐形成巨大的表面积和复杂的孔隙结构，在这些孔隙中和上面进行所谓的吸附过程。活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择性吸附作用，这是因为大分子不能进入比其孔隙小的活性炭孔径。活性炭是以碳基材料为原料，经高温炭化、活化而制成的疏水性吸附剂。活性炭含有大量的微孔，具有巨大的表面积，能有效去除色度和气味，能去除二级出水中的大多数有机污染物和一些无机物质，包括一些有毒的重金属。
活性炭的原理
1.过滤原理
活性炭过滤是对水中悬浮污染物进行截留的过程，被截留的悬浮物填充在活性炭之间的空隙中。滤层孔径和孔隙率随活性炭材料粒径的增大而增大，即活性炭粒径越粗，可容纳悬浮物的空间越大。表现在过滤能力增强，纳污能力增大，截污量增加。同时，活性炭滤层孔隙越大，水中悬浮物越能输送到更深的下一层活性炭滤层。在保护厚度足够的情况下，可以截留更多的悬浮物，使中下层滤层更好地发挥截留作用，单位截留能力增大。
从严格的理论角度来说，活性炭截留悬浮物的能力来自于活性炭所提供的表面面积。当流速较低时，机组的过滤能力主要来自于活性炭的筛分作用，而当流速较快时，过滤能力来自于活性炭颗粒表面的吸附作用。在过滤过程中，活性炭所提供的颗粒表面面积越大，对水中悬浮物的黏附力就越强。
2.吸附原理
根据吸附过程中活性炭分子与污染物分子之间所起的作用力不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附（又称活性吸附）两大类。吸附过程中，当活性炭分子与污染物分子之间所起的作用力为范德华力（或静电引力）时，称为物理吸附；当活性炭分子与污染物分子之间所起的作用力为化学键时，称为化学吸附。物理吸附的吸附强度主要与活性炭的物理性质有关，与活性炭的化学性质关系不大。由于范德华力较弱，对污染物分子的结构影响不大，这种力与分子间的内聚力相同，因此可以将物理吸附比喻为凝聚。物理吸附过程中污染物的化学性质基本保持不变。
由于化学键强，对污染物分子结构影响很大，因此化学吸附可以看作是一种化学反应，是污染物与活性炭之间发生化学作用的结果。化学吸附一般涉及电子对共享或电子转移，而不是简单的扰动或弱极化，是一种不可逆的化学反应过程。物理吸附与化学吸附的根本区别在于产生吸附键的力。
吸附过程是污染物分子吸附到固体表面的过程，分子的自由能会下降，因此吸附过程是一个放热过程，放出的热量称为污染物在固体表面的吸附热。由于物理吸附与化学吸附作用力不同，它们在吸附热、吸附速率、吸附活化能、吸附温度、选择性、吸附层数、吸附光谱等方面表现出一定的差异。
活性炭吸附技术在国内制药、化工、食品等行业已应用多年，自20世纪70年代开始应用于工业废水处理。生产实践表明，活性炭对水中微量有机污染物有优良的吸附性，对纺织印染、染料化工、食品加工、有机化工等工业废水均有良好的吸附效果。总体来说，对以BOD、COD等综合指标为代表的废水中的有机物，如合成染料、表面活性剂、酚类、苯类、有机氯、农药、石油化工产品等有独特的去除能力。因此，活性炭吸附已逐渐成为工业废水二级或三级处理的主要方法之一。
吸附是一种物质附着在另一种物质表面的缓慢过程。吸附是一种界面现象，与表面张力和表面能的变化有关。引起吸附的驱动力有两种，一是溶剂水对疏水物质的排斥力，二是固体对溶质的亲和力和吸引力。废水处理中的吸附多是这两种力综合作用的结果。活性炭的比表面积和孔结构直接影响其吸附能力，选用活性炭时应根据废水的水质通过实验确定。对于印染废水，宜选用过渡孔发达的炭。此外，灰分含量也有影响，灰分含量越小，吸附性能越好；吸附质分子尺寸越接近炭孔径，越容易被吸附；吸附质浓度对活性炭的吸附量也有影响。 在一定浓度范围内，吸附量随吸附质浓度的增加而增大；此外，水温和pH值也有影响，吸附量随水温的升高而降低。
活性炭的特点
1. 吸附特性
活性炭吸附法是利用多孔活性炭将水中的一种或多种物质吸附在活性炭表面，从而去除水中的一种或多种物质。去除的对象包括可溶性有机物、合成洗涤剂、微生物、病毒及一定量的重金属。它还可以脱色、除臭，净化空气。
活性炭、磺化煤、沸石、焦炭等都是水处理常用的吸附剂。活性炭经活化后，炭晶格形成发达的不同形状和大小的孔隙，大大增加了比表面积，提高了吸附能力。活性炭孔隙的有效半径一般为1-，小孔半径在2nm以下，过渡孔半径一般为2-100nm，大孔半径为100-。小孔容积一般为0.15-0.90mL/g，过渡孔面积一般为0.02-0.10mL/g；大孔容积一般为0.2-0.5mL/g。
活性炭是一种非常细小的炭粒，具有很大的表面积，而炭粒上还有更小的孔洞——毛细管。这种毛细管有很强的吸附能力。由于炭粒的表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触，当这些气体（杂质）遇到毛细管时就被吸附，起到净化作用。活性炭的表面积研究非常重要，活性炭的比表面积测试数据只有采用BET法测试才真实可靠，国内有很多仪器只能进行直接的对比试验，目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法，国内外制定的比表面积测定标准都是以BET测试法为基础的，请参考中国国家标准（GB/T 19587-2004）--用气体吸附BET原理测定固体物质比表面积的方法。
比表面积测试其实是一项耗时的工作，由于样品的吸附能力不同，有些样品的测试可能需要一整天的时间。如果测试过程不是全自动的，测试人员不能随时离开，必须高度集中精力，观察仪表盘、操作旋钮。稍有不慎就会导致测试过程失败，这会浪费测试人员大量宝贵的时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是一款真正能实现BET法检测功能（带直接比较法）的仪器。更重要的是，F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一一款全自动智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际标准高度一致，稳定性好，同时减少了人为误差，提高了测试结果的准确性。
影响活性炭吸附的因素有：活性炭的特性；吸附质的特性及浓度；废水的pH值；悬浮物含量的特性；接触系统及操作方式等。活性炭能有效吸附氯代烃、有机磷及氨基甲酸酯类农药，也能吸附苯醚、硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯酚、DDT、艾氏剂、烷基苯磺酸及许多酯类、芳香族化合物。二级出水中还含有活性炭不能吸附的有机物，如蛋白质的中间降解物质，这些物质比原有的有机物更难被活性炭吸附。活性炭对THMS的去除能力较低，只能达到23～60%。 活性炭吸附法与其他处理方法相结合，出现了臭氧-活性炭法、混凝-吸附活性炭法、工艺、活性炭-硅藻土法等，明显延长了活性炭的吸附周期，降低了用量，大幅度提高了处理效果和范围。
2.化学性质
活性炭除物理吸附外，还有化学吸附，活性炭的吸附既取决于孔隙结构，也取决于化学成分。
活性炭不仅含有碳，还含有少量的氧和氢，这些氧和氢以化学键合的形式存在于功能基团中，如羰基、羧基、酚类、内酯类、醌类和醚类。表面的氧化物和络合物，有些来自原料的衍生物，有些是在活化过程中和活化后经空气或水蒸气作用而生成的。有时也生成表面硫化物和氯化物。在活化过程中，原料中所含的矿物质在活性炭中浓缩成为灰分，灰分的主要成分是碱金属和碱土金属的盐，如碳酸盐和磷酸盐。
3. 机械性能
1. 粒度：使用一组标准筛，找到保留在并通过每个筛子的活性炭的重量，以指示粒度分布。
2、静密度或堆积密度：应为单位体积活性炭的重量，包括孔隙体积和颗粒间的空隙体积。
3、体积密度与颗粒密度：它应该是颗粒间空隙体积的孔隙体积而不是单位体积活性炭的重量。
4、强度：即活性炭抵抗破碎的能力。
5、耐磨性：即抵抗磨损或摩擦的性能。
这些力学性能直接影响活性炭的应用，例如：密度影响容器大小；粉状炭的粗糙度影响过滤效果；颗粒炭的粒度分布影响流体阻力和压降；可破碎性影响活性炭的使用寿命和废炭的再生等。
活性炭的分类
按原料来源分：
1.木质活性炭
2.动物骨/血活性炭
3、矿物原料活性炭
4. 其他原料制成的活性炭
5、活性炭的再生
按制造方法分：
1.化学活性炭（化学炭）
2.物理活性炭（物理碳）
3.化学-物理或物理-化学活性炭
根据外观形状：
1.粉状活性炭
2. 颗粒活性炭
3.无定形颗粒活性炭
4.圆柱形活性炭
5.球形活性炭
6. 其他形状活性炭
按光圈：
1.大孔：孔径>1000A°
2、过渡孔：孔径20～1000A°
3、微孔：孔径<20A°活性炭的表面积主要由微孔提供。
按材质分类：
1. 类型：原材料
2、木质活性炭：以锯末、木炭等为原料制成的活性炭。
3、果壳活性炭：以椰子壳、核桃壳、杏仁壳等为原料制成的活性炭。煤质活性炭：以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤等为原料制成的活性炭。石油基活性炭，如以沥青等为原料制成的沥青基球形活性炭。再生炭：以使用过的废炭为原料，经过重新活化处理的再生活性炭。
活性炭技术指标
注：采用优质木炭、锯末为原料，经物理、化学方法精制而成。该产品为黑色粉末，无毒无味，孔隙发达，不含水中对水质有不良影响的溶解物质。具有吸附能力强，脱色效果好，过滤速度快等优点，能有效吸附液相中大、小分子结构的物质，广泛应用于生活污水、化工污水、医疗污水、城市污水等各类污水，尤其对污水脱色、除臭、降低COD等有极好的效果。
活性炭的作用
1、利用活性炭的物理吸附和化学吸附的双重性能，经过特殊的孔径调整工艺，具有与室内有害气体分子大小相匹配的孔隙结构，完全吸附有害气体而不是掩盖或稀释异味，从根本上彻底消除室内污染。
2、活性炭能吸附室内一切有害气体分子，同时具有调节催化等功能。能有效吸附空气中形成的各种有害气体，如苯、甲醛、酮、酸等有机成分及空气中的浮游细菌，杀灭霉菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、脓球菌等致病菌，抑制疫病菌传播。具有解毒、吸味、消臭、除湿、防霉、杀菌、净化等综合功能。
3、室内环境专家指出，装修改造造成的室内污染，污染源甲醛、苯、甲苯、氨等的挥发是一个缓慢释放的过程，甚至会持续3至15年之久。开窗通风法、喷洒化学药剂法、除花法等只能迅速掩盖或驱散挥发的有害气体，却不能从根本上清除缓慢释放的有害气体。而活性炭的吸附过程是一个长期稳定的过程，与有害气体的释放过程基本相吻合，从而达到彻底清除的效果。
4、活性炭采用优质绿色环保果壳为原料，完全避免了煤等原料制成的活性炭灰分、重金属含量高造成的二次污染。加工过程中不添加任何化学成分，无毒无副作用，对人体无副作用，同时避免了喷剂对家具造成的褪色、受潮等二次污染，完全是自然生态下的物理吸附，是真正优质的绿色环保产品。5、利用活性炭本身的分子运动规律，经过特殊工艺处理，在使用20天左右后，再进行高温处理3~5小时，利用高温使活性炭孔隙中吸附的有害气体分子移动释放出来，活性炭再次净化，达到反复使用而不影响效果的目的，可反复使用3~6个月，密封条件下可达5~10年不变质。
5、操作简便：使用方便，可随意摆放，不受空间或位置限制，无需任何辅助设备，不消耗能源。
活性炭如何分级？
1.直接看厂家提供的指标
活性炭常用的吸附指标有：碘吸附值、四氯化碳（CTC）吸附值、亚甲蓝吸附值。碘吸附值用来表示活性炭对液态物质的吸附能力，四氯化碳吸附值用来表示活性炭对气态物质的吸附能力，亚甲蓝吸附值用来表示活性炭的脱色能力。这三个指标越高，活性炭的吸附能力越强。因此，在购买活性炭时，可以根据自己的使用情况，结合厂家提供的这些指标，选择适合自己使用的活性炭。
2.看成交量
12包*50g=1箱，为什么快活林活性炭的体积会比其他品牌的大呢？上面说了，为了提高活性炭的吸附性能，只能在活性炭上制造尽可能多的孔隙结构，孔隙越多，活性炭就越疏松，相对密度就越轻，所以好的活性炭摸上去会感觉比较轻，在同样重量包装的情况下，性能好的活性炭体积会比劣质的活性炭大很多。
3. 观察气泡
把一把活性炭放入水中，由于水的渗透作用，水会逐渐渗透到活性炭的孔隙结构中，迫使孔隙中的空气排出，从而产生一连串极细微的气泡，在水中划出细细的气泡线，并发出轻微的气泡声，非常有趣。这种现象出现的越剧烈，持续时间越长，说明活性炭的吸附效果越好。
4、看脱色能力
活性炭吸附能力的另外一个表现就是脱色能力。活性炭有着神奇的本领，可以将有色液体变成浅色或者无色液体。这其实就是因为活性炭吸附了有色液体中的色素分子。因为有这个特性，活性炭在制糖工业中，被广泛的应用在红糖变成白糖的生产过程中。
取两个透明的杯子，一个杯子里装上纯净水，然后滴上一滴红墨水（任何容易观察，但又不改变水的性质的颜料都可以在这里使用，比如蓝墨水，打印机彩墨，但不能是墨汁和碳素墨水），搅拌均匀后将有色水的一半倒入另一个杯子中，以作对比。将活性炭放入有色水中，量要为水的一半或更多，这样效果会更明显，10-20分钟后与对比水样进行比较。在同样的条件下，脱色效果越强，说明活性炭的吸附效果越好。
活性炭的应用
水处理行业
活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有吸附性能强、催化性能好、原料充足且安全性高、耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，对溶解在水中的有机污染物，如苯类化合物、酚类化合物、石油及石油产品等有很强的吸附能力，对生物和其他化学方法难以去除的有机污染物，如色度、亚甲蓝表面活性剂、除草剂、农药、合成染料及许多人工合成的有机化合物等有良好的去除效果；此外，活性炭对电镀废水、冶炼工业废水中的重金属也有很强的吸附能力；对浑浊水有明显的澄清作用，能去除水中的臭味、味道，对细菌有极好的过滤作用。
因此活性炭在水处理中越来越受到重视，但由于普通活性炭灰分含量高、孔容小、微孔分布宽、比表面积小、吸附选择性差，以及表面功能基团和电化学性质等局限性，导致其对污染物的吸附去除效果有限，远远不能满足国内外市场的要求，因此有必要对其进行结构和性能改性，提高其吸附容量，缓解水污染压力。
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活性炭吸附是目前应用最广泛、技术最成熟、安全可靠、吸附物质种类最多的室内污染去除方法，活性炭作为一种性能优良的物理化学吸附剂，越来越受到人们的重视。
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