西安活性炭、西安蜂窩活性炭、西安柱狀活性炭、西安廢氣處理活性炭

活性炭是由木質、煤質和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成(chéng)，具有發(fā)達的孔隙結構、較大的比表面(miàn)積和豐富的表面(miàn)化學(xué)基團，特異性吸附能(néng)力較強的炭材料的統稱。

通常爲粉狀或粒狀具有很強吸附能(néng)力的多孔無定形炭。由固态碳質物（如煤、木料、硬果殼、果核、樹脂等）在隔絕空氣條件下經(jīng)600～900℃高溫炭化，然後(hòu)在400～900℃條件下用空氣、二氧化碳、水蒸氣或三者的混合氣體進(jìn)行氧化活化後(hòu)獲得。

炭化使碳以外的物質揮發(fā)，氧化活化可進(jìn)一步去掉殘留的揮發(fā)物質，産生新的和擴大原有的孔隙，改善微孔結構，增加活性。低溫（400℃）活化的炭稱L-炭，高溫（900℃）活化的炭稱H-炭。H-炭必須在惰性氣氛中冷卻，否則會轉變爲L-炭。活性炭的吸附性能(néng)與氧化活化時氣體的化學(xué)性質及其濃度、活化溫度、活化程度、活性炭中無機物組成(chéng)及其含量等因素有關，主要取決于活化氣體性質及活化溫度。

活性炭的含炭量、比表面(miàn)積、灰分含量及其水懸浮液的pH值皆随活化溫度的提高而增大。活化溫度愈高，殘留的揮發(fā)物質揮發(fā)愈完全，微孔結構愈發(fā)達，比表面(miàn)積和吸附活性愈大。

活性炭中的灰分組成(chéng)及其含量對(duì)炭的吸附活性有很大影響。灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等組成(chéng)，灰分含量與制取活性炭的原料有關，而且，随炭中揮發(fā)物的去除，炭中的灰分含量增大。

截止2007年，世界活性炭年産量達900kt，其中煤基(質)活性炭占總産量的2/3以上；而中國(guó)年産量已突破400kt，居世界首位，美國(guó)、日本等也是世界主要的活性炭産出國(guó)。 

活性炭是一種(zhǒng)經(jīng)特殊處理的炭，將(jiāng)有機原料（果殼、煤、木材等）在隔絕空氣的條件下加熱，以減少非碳成(chéng)分（此過(guò)程稱爲炭化），然後(hòu)與氣體反應，表面(miàn)被(bèi)侵蝕，産生微孔發(fā)達的結構 （此過(guò)程稱爲活化）。由于活化的過(guò)程是一個微觀過(guò)程，即大量的分子碳化物表面(miàn)侵蝕是點狀侵蝕 ，所以造成(chéng)了活性炭表面(miàn)具有無數細小孔隙。活性炭表面(miàn)的微孔直徑大多在2～50nm之間，即使是少量的活性炭，也有巨大的表面(miàn)積，每克活性炭的表面(miàn)積爲500~1500m2，活性炭的一切應用，幾乎都(dōu)基于活性炭的這(zhè)一特點。

根據活性炭的外形，通常分爲粉狀和粒狀兩(liǎng)大類。粒狀活性炭又有圓柱形、球形、空心圓柱形和空心球形以及不規則形狀的破碎炭等。随著(zhe)現代工業和科學(xué)技術的發(fā)展，出現了許多活性炭新品種(zhǒng)，如炭分子篩、微球炭、活性炭納米管、活性炭纖維等。

活性炭是由石墨微晶、單一平面(miàn)網狀碳和無定形碳三部分組成(chéng)，其中石墨微晶是構成(chéng)活性炭的主體部分。活性炭的微晶結構不同于石墨的微晶結構，其微晶結構的層間距在0.34～0.35nm之間，間隙大。即使溫度高達2000 ℃以上也難以轉化爲石墨，這(zhè)種(zhǒng)微晶結構稱爲非石墨微晶，絕大部分活性炭屬于非石墨結構。石墨型結構的微晶排列較有規則，可經(jīng)處理後(hòu)轉化爲石墨。非石墨狀微晶結構使活性炭具有發(fā)達的孔隙結構，其孔隙結構可由孔徑分布表征。活性炭的孔徑分布範圍很寬，從小于1nm到數千nm。有學(xué)者提出將(jiāng)活性炭的孔徑分爲三類：孔徑小于2nm爲微孔，孔徑在2～50nm爲中孔，孔徑大于50nm爲大孔。

活性炭中的微孔比表面(miàn)積占活性炭比表面(miàn)積的95%以上，在很大程度上決定了活性炭的吸附容量。中孔比表面(miàn)積占活性炭比表面(miàn)積的5%左右，是不能(néng)進(jìn)入微孔的較大分子的吸附位，在較高的相對(duì)壓力下産生毛細管凝聚。大孔比表面(miàn)積一般不超過(guò)0.5m2/g，僅僅是吸附質分子到達微孔和中孔的通道(dào)，對(duì)吸附過(guò)程影響不大。

活性炭内部具有晶體結構和孔隙結構，活性炭表面(miàn)也有一定的化學(xué)結構。活性炭吸附性能(néng)不僅取決于活性炭的物理（孔隙）結構，而且還(hái)取決于活性炭表面(miàn)的化學(xué)結構。在活性炭制備過(guò)程中，炭化階段形成(chéng)的芳香片的邊緣化學(xué)鍵斷裂形成(chéng)具有未成(chéng)對(duì)電子的邊緣碳原子。這(zhè)些邊緣碳原子具有未飽和的化學(xué)鍵，能(néng)與諸如氧、氫、氮和硫等雜環原子反應形成(chéng)不同的表面(miàn)基團，這(zhè)些表面(miàn)基團的存在毫無疑問地影響到活性炭的吸附性能(néng)。X 射線研究表明，這(zhè)些雜環原子與碳原子結合在芳香片的邊緣，産生含氧、含氫和含氮表面(miàn)化合物。當這(zhè)些邊緣成(chéng)爲主要的吸附表面(miàn)時，這(zhè)些表面(miàn)化合物就改變了活性炭的表面(miàn)特征和表面(miàn)性質。活性炭表面(miàn)基團分爲酸性、堿性和中性3種(zhǒng)。酸性表面(miàn)官能(néng)團有羰基、羧基、内酯基、羟基、醚、苯酚等，可促進(jìn)活性炭對(duì)堿性物質的吸附；堿性表面(miàn)官能(néng)團主要有吡喃酮（環酮）及其衍生物，可促進(jìn)活性炭對(duì)酸性物質的吸附。

磷酸等酸性活化劑制備的活性炭表面(miàn)以酸性基團爲主 ，對(duì)堿性物質吸附較好(hǎo)；KOH、K2CO3等堿性活化劑制備的活性炭表面(miàn)以堿性基團爲主，适合于吸附酸性物質；而采用CO2、H2O等物理活化方法制備的活性炭表面(miàn)官能(néng)團總體呈中性。

活性炭吸附是指利用活性炭的固體表面(miàn)對(duì)水中的一種(zhǒng)或多種(zhǒng)物質的吸附作用，以達到淨化水質的目的。活性炭的吸附能(néng)力與活性炭的孔隙大小和結構有關。一般來說，顆粒越小，孔隙擴散速度越快，活性炭的吸附能(néng)力就越強。
　　吸附能(néng)力和吸附速度是衡量吸附過(guò)程的主要指标。吸附能(néng)力的大小是用吸附量來衡量的，吸附速度是指單位時間内單位重量的吸附劑所吸附的量。在水處理中，吸附速度決定了吸附劑與污水的接觸時間。

活性炭發(fā)生的主要是物理吸附，大多數是單層分子吸附，其吸附量與被(bèi)吸附物的濃度服從朗格缪爾單分子層吸附等溫方程：

式中：

θ（覆蓋度）——一定溫度下，吸附分子在固體表面(miàn)上所占面(miàn)積占表面(miàn)總面(miàn)積的分數；

ρ——吸附質在氣相的分壓；

b=k1/k2——吸附與脫附的速度之比；

α——氣體在固體表面(miàn)上的吸附量。

中國(guó)國(guó)家标準將(jiāng)活性炭按照兩(liǎng)部分進(jìn)行分類：一部分按制造使用的主要原材料，另一部分按制造使用的原材料及對(duì)應的産品形狀組合分類。

活性炭按制造使用的主要原材料分爲四類：煤質活性炭、木質活性炭、合成(chéng)材料活性炭和其他類活性炭。按制造使用主要原材料及對(duì)應的産品形狀組合分類分爲16種(zhǒng)類型。其中，煤質活性炭分爲：柱狀煤質顆粒活性炭、 破碎煤質顆粒活性炭、粉狀煤質顆粒活性炭、球形煤質顆粒活性炭。木質顆粒活性炭分爲：柱狀木質顆粒活性炭、破碎狀木質顆粒活性炭、粉狀木質顆粒活性炭、球形木質顆粒活性炭。合成(chéng)材料活性炭分爲：柱狀合成(chéng)材料顆粒活性炭、破碎狀合成(chéng)材料顆粒活性炭、粉狀合成(chéng)材料顆粒活性炭、成(chéng)形活性炭、球形合成(chéng)材料顆粒活性炭、 布類合成(chéng)材料活性炭（炭纖維布）、氈類合成(chéng)材料活性炭（炭纖維氈）。其他類活性炭，指除上述三種(zhǒng)類型活性炭外，由其他原材料（如煤瀝青、石油焦等）制備的活性炭，這(zhè)類活性炭，在産品形狀分類中，暫列了瀝青基微球活性炭。詳細分類見下表：

應用領域

（1）處理含油污水

吸附法進(jìn)行油水分離是利用親油性材料，吸附廢水中的溶解油及其它溶解性有機物。最常用的吸油材料是活性炭，可吸附廢水中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭對(duì)油的吸附容量有限（一般爲30～80mg/g)），成(chéng)本高，再生困難，通常隻用作含油廢水多級處理的最後(hòu)一級處理，出水含油質量濃度可降至0.1～0.2mg/L，由于活性炭對(duì)水的預處理要求高，而且活性炭的價格昂貴，因此在廢水處理中，活性炭主要用來去除廢水中的微量污染物，以達到深度淨化的目的。 煉油廠含油廢水，先經(jīng)隔油、氣浮和生物處理，再經(jīng)砂濾和活性炭過(guò)濾深度處理。廢水的含酚量從0.1 mg/L（經(jīng)生物處理後(hòu)）降至0.005mg/L，含氰量從0.19mg/L降至0.048mg/L，COD從85mg/L降至18mg/L。

（2）處理染料廢水

染料廢水成(chéng)分複雜、水質變化大、色度深、濃度大，處理困難。處理方法主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等。這(zhè)些方法各有優缺點，其中活性炭能(néng)有效地去除廢水的色度和COD。活性炭處理染料廢水在國(guó)内外都(dōu)有研究，但大多數是和其它工藝耦合，活性炭吸附多用于深度處理或將(jiāng)活性炭作爲載體和催化劑，單獨使用活性炭處理較高濃度染料廢水的研究很少。

活性炭對(duì)染料廢水有良好(hǎo)的脫色效果。染料廢水的脫色率随溫度的升高而增加，而pH值對(duì)染料廢水的脫色效果沒(méi)有太大的影響。在最佳吸附工藝條件下，酸性品紅、堿性品紅廢水的脫色率均>97%，出水的色度稀釋倍數≤50倍，COD<50mg/L，達到國(guó)家一級排放标準。

（3）處理含汞廢水

重金屬污染物中以汞的毒性最大，當汞進(jìn)入人體内，就會破壞酶和其它蛋白質的功能(néng)并影響其重新合成(chéng)。活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能(néng)，但吸附能(néng)力有限，隻适宜于處理含汞量低的廢水。如果含汞的濃度較高，可以先用化學(xué)沉澱法處理，處理後(hòu)含汞約1mg/L，高時可達2~3mg/L，然後(hòu)再用活性炭做進(jìn)一步的處理。

（4）處理含鉻廢水

活性炭表面(miàn)存在大量的含氧基團如羟基（-OH）、羧基（-COOH）等，它們都(dōu)有靜電吸附功能(néng)，對(duì)六價鉻産生化學(xué)吸附作用，能(néng)有效地吸附廢水中的六價鉻，吸附後(hòu)的廢水可達到國(guó)家排放标準。

利用活性炭處理含鉻廢水是活性炭對(duì)溶液中六價鉻的物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)還(hái)原等綜合作用的結果。活性炭處理含鉻廢水，吸附性能(néng)穩定，處理效率高，操作費用低，有一定的社會效益和經(jīng)濟效益。因此，用活性炭處理含鉻廢水已得到廣泛應用。

（5）催化和負載催化劑

石墨化炭和無定型炭是活性炭晶型的組成(chéng)部分，因爲具有不飽和鍵，所以表現出類似結晶缺陷的功能(néng)。活性炭因爲結晶缺陷的存在而被(bèi)作爲催化劑廣泛應用，同時，因爲其具有大的比表面(miàn)積及多孔結構，活性炭還(hái)被(bèi)廣泛用作催化劑載體。

采用γ射線處理商品活性炭，此過(guò)程可以在不影響活性炭物理性質的條件下改變活性炭表面(miàn)化學(xué)特性。通過(guò)紫外線輻射和模拟太陽光輻射研究了光催化中活性炭表面(miàn)化學(xué)所發(fā)揮的作用。結果表明，無論是紫外線還(hái)是模拟太陽光輻射，活性炭都(dōu)可以發(fā)揮光催化作用。通過(guò)測定紫外線/活性炭和模拟太陽光/活性炭體系中羟基自由基和超氧陰離子自由基表明，由活性炭充當光催化劑和光誘導反應物可以有效消除雜質對(duì)反應的影響，體系中羟基自由基和超氧陰離子自由基的獲得遠高于單純采用光輻射。這(zhè)爲發(fā)展自由基化學(xué)和尋找新的自由基反應提供了新的可能(néng)。

活性污泥因爲成(chéng)分複雜，導緻其厭氧腐化過(guò)程緩慢。有學(xué)者將(jiāng)粒狀活性炭用于活性污泥的厭氧腐化，使活性污泥腐化過(guò)程中甲烷産率提高了17.4%，同時使活性污泥腐化率提高了6.1%。另外在活性炭表面(miàn)引入-SO3H，對(duì)合成(chéng)甲基叔戊基醚過(guò)程有催化作用，該催化劑制備方便，催化活性高且不易分解，體現出改性活性炭催化劑的巨大應用潛能(néng)。有研究表明采用粒狀活性炭負載臭氧體系使腐殖酸的催化氧化率達到48.1%，爲腐殖酸的降解提供了新的途徑。通過(guò)活性炭負載氧化鋁作爲改性活性炭糊電極用于苯酚的電催化氧化研究，表現出了較好(hǎo)的穩定性和可重複使用性，同時具有相對(duì)較低的檢出限和較寬的檢測範圍。

（6）臨床醫用

活性炭由于其良好(hǎo)的吸附性能(néng)，可用于急性臨床胃腸解毒急救，其具有不被(bèi)胃腸道(dào)吸收且無刺激性、可以直接口服、簡單便利等優點；同時，活性炭也被(bèi)用于血液淨化和癌症治療等。結腸直腸癌是常見的惡性腫瘤。研究表明，以納米活性炭作示蹤劑可以有效增加結腸直腸癌患者淋巴結檢測次數。活性炭纖維具有兩(liǎng)種(zhǒng)特性：一是吸附性能(néng)；二是遠紅外放射性能(néng)。將(jiāng)銀吸附在活性炭纖維上，用于治療慢性創面(miàn)患者，在接受治療的數月内傷口沒(méi)有任何不良反應。有學(xué)者以椰殼活性炭爲載體負載加替沙星，結果表明，其對(duì)加替沙星負載能(néng)力較好(hǎo)，可以用作加替沙星的緩釋載體。對(duì)選用撲熱息疼和布洛芬作爲模型藥物，采用活性炭作爲藥物載體的研究表明，活性炭顆粒表現出非常低的細胞毒性，該研究爲活性炭作爲無定型藥物載體提供了支持。有學(xué)者單純利用每日兩(liǎng)次直腸局部注入高活性粒狀活性炭來治療簡單的慢性肛瘘，結果表明，這(zhè)種(zhǒng)治療方法效果良好(hǎo)、安全性高，并且相較于其它治療方法，病人更容易接受，爲慢性肛瘘的治愈提供了新的策略。

（7）用于超級電容器電極

超級電容器主要由電極活性材料、電解液、集流體和隔膜等部分組成(chéng)，其中電極材料直接決定著(zhe)電容器性能(néng)的高低。活性炭具有比表面(miàn)積大、孔隙發(fā)達及容易制備等優點，成(chéng)爲了超級電容器最早應用的碳質電極材料。可通過(guò)對(duì)傳統活性炭的改性，制備新型及高性能(néng)的活性炭電極材料。以聚偏二氯乙烯爲前驅體，隻通過(guò)炭化處理而無需其它後(hòu)處理制備出比表面(miàn)積1200m2·g-1、孔容0.48cm3·g-1的多孔炭，其最高比電容爲262F·g-1，電極密度在0.8g·cm-3左右，體積比電容可達214F·cm-3，是一種(zhǒng)有發(fā)展前途的超級電容器電極材料。另有研究將(jiāng)廢棄茶葉炭化後(hòu)再用KOH活化，制備了具有無定型特征的活性炭，其具有比表面(miàn)積介于2245～2184m2·g-1的多孔結構，用其作爲超級電容器電極，以KOH水溶液作爲電解液，比電容高達330F·g-1，充電放電2000次後(hòu)電容略有下降，爲初始電容的92%，表現出良好(hǎo)的循環性能(néng)。若使用蓮花花粉作爲碳源和自模闆，CO2爲活化劑制備活性炭微粒，制備的活性炭具有三維納米網格骨架構成(chéng)的多孔空心結構，將(jiāng)這(zhè)種(zhǒng)特殊的活性炭用作超級電容器電極，其比電容高達 244F·g-1，充電放電10000次後(hòu)電容無衰減。 

（8）用于儲氫

常用儲氫方法有高壓氣态儲氫、液化儲氫、金屬合金儲氫和有機液體氫化物儲氫、炭材料儲氫等，其中炭材料主要有超級活性炭、納米碳纖維以及碳納米管等，而超級活性炭因爲原料豐富、比表面(miàn)積大、表面(miàn)化學(xué)性能(néng)修飾、儲氫量大、解吸速度快、循環使用壽命長(cháng)以及容易産業化受到廣泛關注。有學(xué)者利用 CO2活化模闆制備多孔碳，獲得了微孔介于0.7～1.3nm、中孔介于2～4nm、比表面(miàn)積2829m2·g-1、孔容2.34cm3·g-1的超級活性炭材料，其在室溫298K、中等壓強8MPa條件下，對(duì)氫的吸附量可達0.95%。

21世紀以來，類似于金屬-有機框架的多孔固體材料爲氫的吸收儲存開(kāi)辟了新的發(fā)展方向(xiàng)。有學(xué)者在溫和條件下將(jiāng)活性炭引入到金屬－有機框架材料中，合成(chéng)了具有高比表面(miàn)積的活性炭-金屬-有機框架混合材料，在77K、10 MPa條件下，對(duì)氫的吸附量從8.2%提高到了13.5%。控制超級活性炭制備工藝，得到适宜儲氫的比表面(miàn)積和孔徑大小及分布，進(jìn)而進(jìn)行表面(miàn)修飾，在室溫及中等壓強下，提高儲氫量是超級活性炭儲氫研究及應用的關鍵。

（9）用于煙氣治理

活性炭材料在脫硫脫硝過(guò)程中，因其處理效果好(hǎo)、投資運行費用低、實現資源化、且易于再生利用等優點而引人注目，但是，單一的活性炭脫硫，速度慢，效率低。在提高活性炭脫硫的性能(néng)的過(guò)程中，改性活性炭引起(qǐ)重視，它能(néng)克服普通活性炭的某些缺點和限制，被(bèi)認爲是最有前景的脫硫劑之一；另有研究表明，以亞鐵鹽和銅鹽配方處理的活性炭對(duì)氨有很好(hǎo)的吸附性能(néng)。

（10）其他應用

在活性炭各種(zhǒng)應用中，國(guó)家标準 《活性炭分類和命名》 的附錄A中， 提供了不同類型活性炭主要用途對(duì)照表，該對(duì)照表，對(duì)指導不同用戶選取不同類型的活性炭及其應用提供了方便，詳見下表 ：