活性炭及其主要應(yīng)用方面

活性炭是一種 比表面積大，且具有很強(qiáng)吸附和脫色能力的 炭素材料。早在19世紀(jì)，人們就利用它對糖、酒及水等進(jìn)行脫色、去味。到20世紀(jì)90年代，活性炭在污水處理、有機(jī)溶劑濃縮回收、空氣凈化及其他環(huán)境保護(hù)、黃金提取等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

活性炭外觀

活性炭外觀

活性炭外觀呈粉狀、粒狀或丸狀，具有無定形、多孔結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)表面積很大，對氣體具有良好的吸附作用。它通常由木材、硬果殼（如椰子殼）或獸骨等經(jīng)干餾，并用過熱蒸汽在高溫（800 - 900℃）下處理而得?；钚蕴烤哂泻芨叩奈⒖锥龋?克活性炭大約可提供600 - 1200平方英尺的表面積，換句話說一小勺的活性炭就能“壓縮”整套房那么大的面積！

活性炭的主要特點

活性炭的主要特點就是多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，有吸附性

活性炭種類繁多，可根據(jù)尺寸、制備方法和工業(yè)應(yīng)用，進(jìn)行 廣泛分類：粉狀活性炭（RI，PAC）、粒狀活性炭（GAC）、珠狀活性炭（BAC）、擠壓活性炭（EAC）、浸漬活性炭和聚合物涂層活性炭、活性炭纖維（ACF）。按照 原料來源，可分為木質(zhì)活性炭、獸骨、血炭、礦物質(zhì)原料活性炭、其它原料活性炭以及再生活性炭。按照 活化方法可分為化學(xué)法活性炭（化學(xué)炭）、物理法活性炭、化學(xué)－物理法活性炭、物理－化學(xué)法活性炭。

活性炭的發(fā)展

活性炭纖維（Activated Carbon Fiber, ACF）是一種多孔性纖維吸附和環(huán)保工程材料

歷史上有許多關(guān)于活性炭（木炭）的文獻(xiàn)記載。公元前1550年，古埃及將木炭作為醫(yī)用材料。古希臘名醫(yī)希波克拉底（公元前460-359）及古羅馬科學(xué)家老普林尼均有記載用木炭治療癲癇和炭疽病的方法。中國明代醫(yī)藥學(xué)家李時珍也在《本草綱目》中提及木炭可用于治療疾病。

《本草綱目》中也記載了將木炭作為藥材治療疾病，藥理作用和它的吸附性有關(guān)系

然而直到18世紀(jì)末活性炭才真正登上歷史舞臺。1773年，瑞典化學(xué)家舍勒認(rèn)識到碳（即木炭）的特定吸附能力。1785年，他發(fā)現(xiàn)從蒸氣到一系列的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，木炭都能將其牢牢吸附，并且，在各種水溶液中使用木炭脫色也卓有成效。與此同時，制糖行業(yè)一直在尋找一種有效的糖漿脫色方法。遺憾的是普通木炭對色素的吸附能力還很有限。

舍勒在木炭吸附氣體方面的研究大大推動了活性炭的發(fā)展

1794年，英國一家糖廠成功生產(chǎn)出使用木炭脫色的糖漿，但是對這種木炭的配方秘而不宣。1805年，法國利用木炭脫色第一次大規(guī)模生產(chǎn)甜菜糖漿。1805 - 1808年，Delessert在甜菜釀酒中成功使用木炭脫色。到了1815年，制糖業(yè)使用木炭脫色已成為行業(yè)共識，顆粒狀骨炭成為了當(dāng)時熱門的脫色劑。

18世紀(jì)末到19世紀(jì)初，活性炭的研究方向就是作為脫色劑，主要用于制糖業(yè)的糖漿脫色

1911年，奧地利Fanto Works公司銷售第一批工業(yè)生產(chǎn)的活性炭“Eponit”（商品名），他們采用von Ostrejko氣化方法由木材制造Eponit，用作制糖業(yè)的脫色劑。

在第一次世界大戰(zhàn)中活性炭迎來了它的高光時刻。當(dāng)時以哈伯為首的德國化學(xué)家研制用于戰(zhàn)場的毒氣，1915年4月22日，德國在第二次伊普爾之役用氯氣攻擊法國、加拿大和阿爾及利亞聯(lián)軍。之后兩軍相互使用并研發(fā)新型的毒氣，其中以芥子氣、光氣、氯氣為主。在美國Chaney領(lǐng)導(dǎo)下，一個小組研究生產(chǎn)防毒面具罐用吸附劑，通過用氯化鋅活化木屑，開發(fā)出具有足夠吸附能力，并且對通過呼吸器濾罐的空氣流具有較低阻力的顆粒狀活性碳。很快，顆?；钚蕴孔鳛槲絼┑玫搅艘?guī)?；a(chǎn)，用于制造軍事用途的防毒面具濾毒罐。

上世紀(jì)70年代的波蘭MUA防毒面具，管道連接的濾毒罐里面填充了活性炭

一戰(zhàn)時活性炭的大規(guī)模生產(chǎn)促進(jìn)了它在戰(zhàn)后的商業(yè)化應(yīng)用。在歐洲制造活性炭的新原料取得了長足進(jìn)展，加入椰子、杏仁殼及氯化鋅生產(chǎn)出的活性炭具有較高機(jī)械性和吸附性。

自20世紀(jì)中期起，活性炭材料開始向著“高吸附，大比表面積（≥2500㎡/g），多形態(tài)（粉狀、球狀、顆粒狀等），高強(qiáng)度，低成本”方向邁進(jìn)，并被廣泛用于空氣凈化、溶劑和貴重金屬精制與回收、食品保鮮、醫(yī)藥精制、血液凈化、防毒面具、放射性物質(zhì)防護(hù)等領(lǐng)域，并取得了令人滿意的效果，同時實現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

如今，活性炭最大市場在市政水凈化行業(yè)

美國環(huán)保署制定的飲用水有機(jī)污染指標(biāo)中，活性炭是其中80%污染物行之有效的處理方法。在聚氯乙烯（PVC）管水過濾系統(tǒng)中，活性炭是核心組分。該系統(tǒng)由卵石、棕櫚、棕櫚纖維、明礬、活性炭（AC）、礫石、氯（Cl2）、光滑的沙子組成， 每種成分均用海綿過濾器分開，以將其固定在特定位置。

具有活性炭和其他成分的水過濾系統(tǒng)

拋開脫色、吸附、凈化這些基本應(yīng)用，

活性炭還在很多高端領(lǐng)域扮演著無名英雄。

01

癌癥治療

在美國，活性炭已應(yīng)用于乳腺癌、胃癌、食道癌及直腸癌等惡性腫瘤的手術(shù)和介入治療中。應(yīng)用活性炭吸附不同抗癌藥物，選擇性在癌細(xì)胞存在部位讓高濃度抗癌藥劑長時間分布。由于藥物吸收在活性炭中，有利于它附著在癌組織表面發(fā)揮療效，從而比使用藥物水溶液對人體的副作用要小?；钚蕴烤哂袃?yōu)良吸附性能的同時還對淋巴系統(tǒng)具有特異趨向性，因此可將淋巴結(jié)染黑，指導(dǎo)淋巴結(jié)的清除。

02

空氣分離、富集氧氣

化學(xué)工業(yè)中存在的主要問題之一是如何從空氣中高效分離出氧氣，用 活性炭特異性吸附以實現(xiàn)氧氣分離的研究早有報道。如通過化學(xué)蒸氣沉積法對活性炭的孔徑進(jìn)行定向調(diào)控，制備成具有分子篩性能、孔徑均勻分布的活性炭，對空氣中氧氣進(jìn)行分離富集。該技術(shù)在國外已有商業(yè)化應(yīng)用。

03

儲能材料

鋰離子電池通過 使用活性炭作為負(fù)極材料，代替充電反應(yīng)存在問題的金屬鋰負(fù)極，保留了一次鋰電池（原電池，不能充電）能量密度大、電壓高的優(yōu)點，同時大大提高了循環(huán)使用壽命和安全性能，形成性能優(yōu)良的二次鋰電池（可充電）。

04

催化劑載體

作為催化劑的金屬或金屬氧化物是因具備活性中心才有催化活性，而結(jié)晶缺陷又是活化中心能夠存在的主要原因。 活性炭因為結(jié)晶缺陷的存在，可作為催化劑廣泛應(yīng)用，特別是在煙道氣脫硫、光氣氧化、氯化二氰的合成、臭氧分解及電池中氧的去極化等氧化還原反應(yīng)中。同時，由于具有大的內(nèi)表面積，活性炭還是理想的催化劑載體，尤其是在光催化劑負(fù)載領(lǐng)域，通過活性炭負(fù)載光催化劑并將之用于有機(jī)廢氣的降解將是今后發(fā)展的重要方向。

“相貌平平”的活性炭，內(nèi)部卻別有洞天，吸引著一批又一批的科學(xué)家在這塊黑土地上深耕細(xì)作，通過不斷的改性和調(diào)整，做出更有價值的活性炭產(chǎn)品，更好地服務(wù)人類社會。

文中圖片來源：維基百科