活性炭是用煙煤、褐煤、果殼或木屑等多種原 料經炭化和活化過程制成的黑色多孔顆粒，是由微 晶炭和無定型炭構成，含有數量不等的灰分。其最 大特點是具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積（500~3000m2/g），吸附性能良好 。由于它作為一種優質的吸附劑具有獨特的孔隙結構 和表面官能團（如羧基、羰基、羥基、內酯等），對氣體、溶液中的有機或無機物質以及膠體顆 粒等有很強的吸附能力，具有足夠的化學穩定性、機械強度及耐酸、耐堿、耐熱、不溶于水和有機溶劑，使用失效后容易再生等良好性能，使它在各行各業有著廣泛而重要的用途。活性炭的生產近年來得到了迅速發展，國內外大多采用煤、木質材料或石油焦作為原料來制備各種活性炭。活性炭的產品除了粉狀炭、破碎炭、柱狀炭以外，現在又出現了超細活性炭粉末、蜂窩狀活性炭、板狀活性炭、活性炭丸等。在許多應用方面還出現了專用活性炭，如適合于除去氣體或廢氣中烷基硫化物的涂鎳活性炭、檸檬酸專用活性炭等。活性炭的應用也從最初的簡單吸附擴展到醫藥、食品、環保、電子、化工、農業、   國防等眾多領域。

1. 國內外活性炭的制備

1.1原料及制備方法

  早年制備活性炭的主要原料是木材、鋸屑、果殼等林產品，由于資源有限，原料的來源逐步轉向儲量豐富、價格低廉的煤炭。以煤為原料的活性炭 發展很快，應用范圍和數量也在迅速擴大，目前煤質活性炭產量已經超過了木質活性炭。近年來，多用農林副產品、紙漿廢漿、劣質煤和煤矸石等許多含碳的工業廢料，制造價格低廉或具有特殊性能的活性炭。國內外利用廢棄材料制備活性炭，以謀求廉價原料的探索受到了重視，如采用廢塑料、廢橡膠、紙漿廢液、石油副產品等原料制得的活性炭， 有的已投入應用，這種有效的變廢為利的方法前途甚廣。

　　活性炭的制備方法主要分為兩大類：物理法和化學法。整個過程分為炭化和活化兩個階段。

1.1.1物理法

　　首先對原料進行炭化，即含碳有機物在熱的作用下發生分解，非碳元素以揮發分的形式逸出，生成富碳的固體熱解產物，然后用水蒸氣、二氧化碳或空氣等氧化性氣體活化，使熱解產物形成發達的微孔結構。炭化溫度一般為 600度，活化溫度一般在800～900度之間。目前國內多采用物理活化法制備煤基活性炭。氣體活化粉末活性炭的制造過程如 下所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　水蒸汽

原 料－－ 炭 化－－ 篩 選－－ 活 化－－ 洗 滌－－ 干 燥 .

1.1.2 化學法

　　先用氯化鋅、磷酸、硫酸等化學試劑浸漬含碳的原料，然后在一定溫度，惰性氣體保護下直 接得到活性炭 。這些活化劑多數具有脫水作用，從而有利于炭質材料在活化過程中產生大量微孔。近年來，人們又探索出用氫氧化鈉、氫氧化鉀、 硫酸、硫化鉀、碳酸鉀等鉀的化合物作為浸漬劑，收到較好的效果我國學者以石油焦、煤瀝青、核桃殼等為原料 ，采用KOH NaOH 等堿金屬或堿土金屬化合物作活化劑制得了比表面積3000~3600m2/g的高比表面積活性炭。中科院山西煤炭化學研究所用灰分、雜質含量低的石油系瀝青為原料，采用KOH活化法，制備出比表面積為3600m2/g的活性炭。喬文明等以氧化瀝青為原料，經KOH活化得到比表面積在3000m2/g左右的活性 炭 。劉海燕等以石油焦為原料，通過KOH 活化得到比表面積在3000m2/g左右的活性炭。日本大阪煤氣公司，用中間相瀝青微球為原料，采用KOH活化法制得比表面積高達4000m2/g的活性炭 。美國和日本采用KOH化學活化制備活性炭已經實現了工業化。

   各種活化方法都有其優點和缺點。物理活化對環境污染小，因其是依靠氧化碳原子形成孔隙結構，故活性炭的收率不高，且活化溫度較高，需先進行炭化再活化。而化學活化法是炭化活化一次完成，有利于形成尺寸較小的碳微晶，容易形成細的孔隙結構，可以制造出孔隙更發達、吸附性能更好的活性炭，炭的相對得率較高。但化學活化對設備腐蝕性大，污染環境，其制得的活性炭中殘留化學藥品活化劑，應用方面受到限制。

   為了發揮物理活化和化學活化各自的優點，目前世界各國包括我國在內都在研究、探討將化學活化法和物理活化法結合起來，用新型的生產工藝，生產出孔隙結構更加合理、發達、吸附性能更優越、用途更廣泛的活性炭產品。一般用優質無煙煤采用物理活化法制得活性炭比表面積達 500~1300m2/g。本課題組采用對炭化料進行銨浸漬預處理，再進行物理活化的方法，用含碳量為62.86%的廢棄除塵灰制得比表面積達1310m2/g的活性炭。而未經銨浸漬預處理，用此原料直接經水蒸氣活化制得活性炭的比表面積僅為550m2/g左右。這種方法制得的活性炭孔隙結構更發達，使活化得率明顯提高，可大大降低生產成本。可見，采用合理的化學物理活化法是活性炭生產發展的新趨勢。

1.2活化基本原理

　　物理活化反應的實質是碳的氧化反應，但碳的氧化反應不是在碳的整個表面均勻地進行，而僅僅發生在“活性點”上，即與活化劑親和力較大的部位才發生反應，如在微晶的邊角和有缺陷的位置上的碳原子。活化反應在活性炭細孔形成過程中有3個作用：

1）開孔作用 炭化時形成的孔隙由于被焦油或其他分解生成的無定型炭所堵塞，造成了閉孔，使被吸附分子無法進入孔隙，所以無吸附能力。活化時，由于這些焦油或無定型炭與氣體活化劑反應而被除去，使閉孔打開，比表面積增大。

2）擴孔作用 由于孔隙內比表面積的一部分與活化劑反應生成二氧化碳或一氧化碳氣體排出，使原有的孔隙直徑增大。

3）某些結構經選擇性活化而生成新孔。

   化學活化至今，化學法的基本原理還不十分清楚 。一般認為化學藥品可以抑制原料熱解時焦油的生成從而防止由焦油堵塞其熱解生成的細孔。化學藥品的存在，抑制了含碳揮發物的形成，致使活性炭收率提高。氫氧化鉀、硫酸鉀等對碳有侵蝕作用，從而形成碳的孔隙結構。

   最近幾年國內外對磷酸活化的研究也比較多，獲得了高的比表面積，但活化機理的研究很少。

2活性炭的應用

　近年來，人們對活性炭的應用開發研究越來越多。20世紀70年代前，活性炭在國內的應用主要集中于制糖、制藥和味精工業；后來又擴展到水處理和環保等行業；20世紀90年代，除以上領域外，擴大到溶劑回收、食品飲料提純、空氣凈化、脫硫、載體、醫藥、黃金提取、半導體應用等領域。目前，歐美國家在藥用活性炭方面開展的工作較多。

2.1活性炭在環境保護中的應用

  當今世界環境保護和發展已成為人類社會的兩大主題。全球氣候變暖，旱澇災害頻繁，全球大氣 層的臭氧空洞增大，人類將面臨紫外線災害。環境保護已到了刻不容緩的地步，我國尤其是這樣。據統計，僅以飲用水為例，流經我國大中城市河流的 河段有80％的河湖水質在四類以下。最近我國被聯合國列為13個嚴重缺水國家之一。活性炭在環境保護方面的應用日益顯現出其主導地位。

2.1.1水處理

　水處理是環境保護的重點，發達國家（如美國、 日本等）水處理方面的活性炭用量是其總用量的40％以上。目前用活性炭進行水處理，主要應用在以下兩個方面：

a.生活用水處理

  自來水用活性炭處理可去掉多種有機質和各種臭味，也可除去由于氯氣或漂白粉處理后生成的對人體有害的含氯碳氫化合物。目前國內有的高級賓館已采用活性炭凈化水的深度處理。

b. 廢水處理

   廢水處理時，要根據廢水的來源，所含有害物質的種類等決定活性炭處理方法。國內活性炭的廢水處理多用作三級處理。

   活性炭處理工業廢水，有的單獨使用，有的與其他方法配合使用。通常有以下幾種情況：

（1）粒狀活性炭吸附法。這種方法常用于廢水般認為化學藥品可以抑制原料熱解時焦油的生成， 的后級處理。廢水經過溶劑萃取、化學凝聚等一級處理，生化曝氣的二級處理后，只剩下濃度較低的難降解的有機物，最后用活性炭吸附，使排放水達到規定標準。

（2）粉末活性炭處理法。即在生化曝氣池中投入粉末活性炭，使吸附和生化分解協同作用。活性炭的大量細孔吸附有機物和廢水中的氧，為微生物的生長、繁殖提供了高濃度的營養源，而微生物代謝過程中產生的酶和輔酶又被吸附和富集在活性炭中，再加上炭上的微生物和有機物接觸時間長， 使難以降解的有機物也有可能被微生物氧化分解。

（3）臭氧氧化 －活性炭處理法。這種方法特別適用于染色廢水。因為臭氧氧化不僅可以消毒、除 臭，更重要的是脫色效果好。

2.1.2大氣污染的防治

　　活性炭凈化室內空氣是比較適合的方法，常常與空調裝置、換氣裝置并用，如醫院、賓館、地下設施、潛艇及宇宙飛船。空氣凈化用的活性炭過濾器結構簡單、替換容易。另外，燃燒廢氣中含有二氧化硫，活性炭處理后不僅防止大氣污染，還能回收二氧化硫，制成硫酸。用脫附方法可回收硫酸或硫酸 鈣、硫酸銨或固體硫。活性炭也用于吸附生產過程中逸出的有毒氣體，保護環境，如噴漆車間的空氣和為了防止汽車氣化汽油的蒸發散失，也都推廣應用活性炭吸附裝置。  

2.1.3改良土壤

　  從環境污染來看，土壤是藏垢納污之地，污染物來自：污水、廢水的排放；大氣中廢氣、雜物的沉降；固體垃圾、廢渣的堆積；農藥、化肥的使用；有害微生物的存活等。以活性炭處理土壤，可發揮一定的作用。如在除草劑中加入活性炭，可以防止雜草位生長，有效而無害。活性炭以微生物金屬（例如銀、 銅、鋅）化合物浸漬，然后經有機硅烷處理，提供稻谷或菠菜生長之用，有增產之效。  

2.2 活性炭在催化和電能貯存方面的應用

2.2.1活性炭作催化劑或催化劑載體

   活性炭本身具有催化活性，可單獨用作催化劑。如氯氣與一氧化碳在活性炭催化下生成光氣； 氯氣與二氧化硫生成硫酰氯；又如二氧化硫在活性炭催化下生成三氧化硫；次氯酸和次氯酸化合物的分解等。

   活性炭作為催化劑載體也被廣泛應用。如活性炭載附醋酸鋅作為乙炔和醋酸合成醋酸乙烯酯單體的催化劑；載鉑和鈀的活性炭可用于加氫、脫氫、芳構化、環化和異構化的催化劑；活性炭也可作低壓氯乙烯生產中的催化劑載體等。

2.2.2活性炭在電池和電能貯存方面的應用

    早在1930年就制成了活性炭電極電池，如活性炭-空氣電池、燃料電池、鈉-硫電池集電極都 是用活性炭做成的。現在鎳- 氫電池也是一種能量密度較高的電池，用的是海綿鎳作集電材料，理論上海綿鎳的比表面積為10~100m2/g數量級，而活性炭比表面積為100~1000m2/g數量級，可設想用超細鎳負載在活性炭上作成電極，電池的能量密度可能提高近一個數量級。以具有比表面積>1500m2/g、填充密度>0.35g/mL的特殊活性炭電極，制成模擬貯電能元件，該元件顯示良好的充電、放電性能，可應用于一些小型電氣設備，作為強電流擊發電源。

   關于電能的貯存——— 蓄電池也成了現代科技關注點之一。過去基本上采用鉛酸蓄電池，它存在單位質量貯能密度小、充電時間長、污染環境等不足。用活性炭吸附電解質（可以是無機或有機電解質）為電極做成超大容量電容器，配合合理的放電電路設計，有可能為蓄電池帶來革命性的變化。這種電容器是具有體積小、質量輕、單位質量（或體積）能量密度大、充電快、無污染等優越性能的真正 蓄電裝置。

3.前景分析與展望

　　目前，我國的活性炭的產量已躍居世界第二位（僅次于美國），年出口量居世界第一。但是我國生產活性炭的主要原料是傳統的煤、木材等，這些都是寶貴的資源。而國外已轉向其他含炭材料，如各種生物廢棄物、城市垃圾、廢塑料、廢橡膠等。 所以針對我國目前的活性炭生產現狀，應致力于改 變原材料結構，采用工業廢品來擴大活性炭的生產 規模，一方面可以起到環境保護的作用，另外還可 以節約大量資源。與發達國家（如美國、日本）相比，我國活性炭發展的綜合水平還有差距，大量高質量的活性炭還需要進口。因此研究各種活化和處理方法及其與活性炭產品性質和性能的關系，對于開發新一代吸附劑和催化劑是十分重要的。開發活性炭的高價值利用方法，如研究其對天然氣等有機資源 儲存原理和應用可能性，將開辟活性炭更廣闊的應用前景。

   根據國家衛生部門統計，我國有24%的人口在飲用水質不良的水，2 億人飲用含細菌超標準的水。活性炭在我國的環保行業雖已有使用，但是由于經濟成本的因素，環保行業對活性炭的使用率仍很小。因此圍繞環境保護開拓活性炭的應用，特別是廉價的含炭吸附劑的制備和應用研究將是一個十分重要的研究課題。另外，專用載體活性炭在日本、美國20世紀80年代就己投放市場，主要是在基炭上載持不同物質，用以除去空氣中有毒有害物質。這種制品用量很大，品種繁多，如日本的武田藥業就有6個產品系列投放市場 。可見，活性炭行業將成為一個 21 世紀的“朝陽產業”。

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