活性炭是一种经过加工的多孔碳，具有多种用途，特别是需要吸附和化学反应的水和气体净化。由于活性炭颗粒多孔，因此它们具有非常大的面积可嵌入其表面的孔隙中。这些区域也可以用其他材料填充以实现其他目的。例如，在水净化中，将银混入碳孔中以过滤饮用水中的汞和有机砷等污染物。由于碳是通过一系列相对便宜和简单的活化过程从木炭中生产的，因此可以大量用于许多应用。
目录
什么是活性炭
活性炭制造
活性炭相关指标
活性炭的应用
什么是活性炭？
颗粒活性炭是一种多功能吸附剂，能够选择性吸附数千种有机物和某些有机物。从古埃及的医用碳粉到威士忌酒桶烧焦的内部，碳已被活化并用作吸附剂数百年。颗粒气相活性炭介质首次在第一次世界大战期间广泛用于军用防毒面具，并在两次世界大战之间的几年中用于溶剂回收系统的商业用途。
颗粒液相活性炭在第一次世界大战后首次得到广泛应用，用于糖脱色和抗生素纯化。如今，其应用有数百种 - 如果将环境控制这一大类下的不同用途单独计算，则正在进行的应用数量有数千种。
尽管存在这些差异，但活性炭主要有三种类型：
粉状活性炭 (PAC)
粉状活性炭的颗粒尺寸一般为 5 - 150 Å，也提供一些外颗粒尺寸。PAC 通常用于液相吸附应用，可降低加工成本并提供操作灵活性。
颗粒活性炭（GAC）
颗粒活性炭的粒径范围一般为 0.2 毫米至 5 毫米，可用于气相和液相应用。颗粒活性炭之所以受欢迎，是因为它们可以提供清洁的处理，并且使用寿命往往比活性炭更长。
此外，它们还具有更高的强度（硬度），并且可以再生和再利用
挤压活性炭（EAC）
挤压活性炭是一种圆柱形颗粒产品，尺寸从 1 毫米到 5 毫米不等。EAC 通常用于气相反应，是挤压工艺产生的重质活性炭。
其他类型
其他类型的活性炭包括：珠状活性炭、浸渍炭、聚合物涂层炭、活性炭布、活性炭纤维。
活性炭的制作方法
活性炭的生产过程或活性炭的活化有两种形式。碳源可以是煤、泥炭或任何有机碳质材料，这意味着通过一种称为热解的加热方法提取纯碳。一旦材料碳化，就需要通过暴露于二氧化碳或蒸汽或酸碱化学处理将其氧化或用氧气处理。
碳化
碳化是通过加热将富碳材料转化为纯碳的过程。这种加热过程称为热解，源自一种古老的木炭制造技术。开始时使用非常致密的碳质材料，因为最终结果需要具有超多孔性才能用于活性炭。将富碳材料放入小型熔炉中，在 2000 摄氏度的极端温度下进行处理。剩下的通常是起始重量的 20-30%，主要由碳和一小部分无机灰分组成。这与“焦化”非常相似，焦化是一种从木炭（一种碳基燃料）生产焦炭的方法。
一旦生成多孔碳，就需要对其进行氧化，以便进行吸附。这可以通过两种方式之一进行：气体处理或化学处理。
气体处理
通过在泵入气体的同时加热腔室，可直接激活碳。这使其暴露于氧气中，以达到氧化目的。当活性炭被氧化时，它很容易吸附，这是化学物质与其表面结合的过程——正是这个过程使活性炭如此擅长从液体和气体中过滤废物和有毒化学物质。对于物理气体处理，碳化热解过程必须在 600-900 摄氏度的惰性环境中进行。然后将含氧气体泵入环境中，加热至 900 至 1200 摄氏度，以将氧气结合到碳表面。
化学处理
化学处理与碳的气体活化过程略有不同。首先，碳化和化学活化同时发生。准备酸、碱或其他化学品浴，并将材料浸入其中。然后将浴加热到 450-900 摄氏度，远低于气体活化所需的温度。碳质材料碳化然后活化，所有过程的速度都比气体活化快得多。然而，一些加热过程会导致微量元素吸附到碳上，从而导致活性炭不纯或无效。
后处理活性炭
活性炭经过氧化后，可以加工成各种不同的用途，并具有多种可分类的特性。例如，颗粒活性炭 (GAC) 是一种沙状产品，颗粒比粉状活性炭 (PAC) 大，每种产品都有不同的用途。其他类型包括浸渍碳，其中含有不同的元素，例如银和碘，以及聚合物涂层碳。
活性炭相关指标
根据特定用途选择活性炭时，应考虑多种特性：
活动水平
活性水平通常用单位重量的总表面积来表示，通常以平方米/克来表示。总暴露面积一般在每克600至1200平方米之间。
为了便于吸附，表面必须有足够大的开口以容纳吸附物分子。活性水平是可测量的，当考虑到下一节中描述的附加特征时，活性水平最有意义。
孔隙结构
尽管碳结构中的开口可能具有各种形状，但“孔”一词表示圆柱形开口。孔结构曲线描述了这些孔壁之间的微小距离，通常表示为由各种“直径”的孔表示的总表面积或总孔体积的函数。活性炭中的孔不可能具有精确的平均形状，但一般来说，颗粒活性炭通常会表现为其所有表面积都在这种形状的孔中。
直径最小的孔隙构成微孔结构，吸附能最高。微孔有助于吸附低分子量、低沸点的有机蒸汽，并将水中的微量有机物去除至无法检测到的水平。较大的孔隙构成大孔，有助于吸附非常大的分子和分子聚集体，例如原糖溶液中的“有色体”。大孔结构的另一个重要作用是协助流体扩散到碳颗粒内的吸附位点。
综上所述，孔隙结构。（1）能有效吸附高挥发性溶剂，控制某些类型的气味，并去除水中的微量有机物；后者具有边际扩散特性。（2）对各种大小的分子提供良好的选择性平衡，可以将蒸汽和液体污染降低到超低水平，并具有良好的扩散特性。（3）将允许良好的扩散，并能容纳非常大的分子尺寸，但很少有微孔结构，对大多数有机物的保留性很差。
原料
颗粒活性炭可由多种含碳原料制成，每种原料都会赋予成品典型的品质。商业级活性炭通常由椰子壳和其他坚果壳、烟煤和褐煤、石油焦、锯末、树皮和其他木制品制成。一般来说，坚果壳和石油焦会产生非常坚硬的碳，其孔结构特征为上述类型 (1)，相对较硬的碳具有类型 (2) 结构，而缺乏抗压和耐磨性的碳具有类型 (3) 结构。应该强调的是，特定的生产技术可能会产生与给定原料的标准不同的碳。
表观密度
大多数活性炭的固体或骨架密度在 2.0-2.1 g/ml 之间。然而，这描述的是一种基本上没有表面积和吸附能力的材料。
由于颗粒活性炭用于固定体积的吸附剂，因此可以使用表观密度值来计算体积活度，这有助于确定吸附剂在替代碳负载下的工作容量。
由于标准活性测试是使用烘干碳进行的，因此，由于活性水平非常低而导致的高密度，或再活化产生的灰分或非活性炭残留物，或任何非碳掺杂，通常不会有利于使用寿命或吸附剂生产高纯度液体的能力。
颗粒大小
由于杂质去除需要吸附物扩散到颗粒内部结构中，因此吸附速率会随着粒径减小而增加。当流体流过吸附剂时，吸附速率的增加将需要吸附物去除区域的吸附剂床深度和接触时间减少。该功能性吸附区称为吸附波前或转移区。但是，对于任何给定的流体，粒径减小都会增加流动阻力或压降。在实践中，选择粒径是为了在快速吸附和有效去除的竞争优势与增加的流动阻力和由此产生的更高的泵送成本之间实现合理的平衡。
硬度
硬度和耐磨性通常对所有颗粒活性炭都有益，尽管它们的操作用途可能有很大差异。在常见的吸附器设计和操作范围内，所有商用颗粒活性炭都可以承受其自身重量和流体流动引起的压力效应。因此，在颗粒活性炭仅使用一次或很少使用的系统中，硬度特性可能并不重要或根本不重要。相反，如果碳需要经常再生，在适当的再生过程中受到热冲击，或者必须抵抗过度振动，那么硬度就变得非常重要。例如，在使用热再活化的系统中处理软碳细粉（灰尘）可能会使再活化炉本身的损失增加一倍或三倍。在使用蒸汽循环再生的溶剂回收系统中，容易破碎的碳通常会增加压降，以至于需要重新筛选、补充或更换吸附剂。
在评估硬度值时，应记住颗粒活性炭硬度测试与用于塑料、金属或矿物的硬度标度无关。硬度为 98 的碳比硬度为 80 的碳高得多，但根据颗粒活性炭硬度测试，较硬的材料（例如钻石、钢和铜）都将报告为 100，尽管它们的实际硬度不同。
灰
如果使用部分木炭作为原料，商业颗粒活性炭的灰分含量通常为 2-20%（重量）。总灰分的一部分可能溶于水，通常更易溶于酸，而其余部分则不溶于碳的骨架结构深处。木材和坚果壳碳的灰分往往富含碱金属，而煤的灰分主要是铝、硅和铁的氧化物。在有限的情况下，微量的可溶性或活性灰分是有害的，可以使用用水或酸预洗的颗粒活性炭，或者可以根据某些原材料的等级将总灰分或特定灰分成分降至最低。
天然灰分通常不会对吸附过程造成损害，标准活性测试报告会报告颗粒活性炭的效率（包括灰分重量）。然而，在一些再生颗粒活性炭中，以前使用的残留物可能会堵塞部分或全部微孔结构，而微孔结构对于将有机物去除到超低水平至关重要。同样，如果灰分是由于以前浸渍用于其他用途或由于任何其他掺假而产生的，碳性能可能会严重受损。
pH
活性炭的水提取物用于报告 pH 值。未经处理的煤基碳通常接近中性，而坚果壳碳和木炭则更偏碱性。大多数未经处理的 GAC 的 pH 值在 6-10 之间，但添加酸或碱可能会进一步扩大这一范围。
在净化水和水溶液时，应将颗粒活性炭的 pH 值与溶液的优选 pH 值进行比较。大多数有机物在 pH 值为 5-7 的微酸性溶液中吸附效果最佳。但是，活性炭的初始 pH 值不会长期影响处理溶液的 pH 值（尽管去除吸附物可能会改变溶液的 pH 值）。
活性炭的应用
由于具有吸附液体或气体成分的能力，活性炭在众多行业中有着成千上万种应用，事实上，列出不使用活性炭的应用可能更容易。活性炭的主要用途如下。请注意，这不是一份详尽的清单，而只是一份重点。
净水
活性炭可用于去除水、废水或饮用水中的污染物，是保护地球最宝贵资源的宝贵工具。水净化有许多子应用，包括市政废水处理、家用水过滤器、工业处理场水处理、地下水修复等。
空气净化
同样，活性炭也可用于空气处理。这包括口罩、家庭净化系统、减少/去除异味以及去除工业加工场所烟气中的有害污染物。
金属回收
活性炭是回收金、银等贵金属的重要工具。
食品和饮料
活性炭广泛应用于食品和饮料行业，可实现多种目的。其中包括脱咖啡因、去除异味、味道或颜色等有害成分等。
药用
活性炭可用于治疗多种疾病和中毒。