活性炭

       活性炭（carbon）是一種非常優良的吸附劑，它是利用木炭、各種果殼和優質煤等作為原料，通過物理和化學方法對原料進行破碎、過篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加工制造而成。活性炭聲名遠揚是從第一次世界大戰開始。1915年第一次世界大戰期間，德軍向英法聯軍使用了可怕的新武器——化學毒氣氯氣18萬kg。英法士兵當場死了五千多人，受傷的有一萬五千多人。有“矛”必然就會發明“盾”，有化學毒氣必然就會發明防毒武器。在兩個星期后，軍事科學家就發明了防護氯氣毒害的武器，他們給前線每個士兵發了一種特殊的口罩，這種口罩里有用硫代硫酸鈉和碳酸鈉溶液浸過的棉花。這兩種藥品都有除氯的功能，能起到防護的作用。但是如果敵方改用第二種毒氣，這種口罩就無能為力了。事實也是如此，此后不到一年，雙方已經用過十幾種不同的化學毒氣，包括現今人們所熟知的芥子毒及氰氫化合物。所以必須找到一種能使任何毒氣都會失去毒性的物質才好。這種萬能的解毒劑在1915年末就被科學家找到了，它就是活性炭。在1917年，交戰雙方的防毒面具里都裝上了活性炭。毒氣對交戰士兵的危害程度就大大降低了。
       隨著全球環境污染的加劇，活性炭又從戰爭進入普通百姓的生活中，它廣泛應用于飲用水凈化，污水處理廠等方面。活性炭由于具有吸附、催化和一定的化學反應性能，同時又具有物理、化學的相對穩定性，廣泛應用于幾乎所有國民經濟部門和人們的日常生活中。

(1) 活性炭種類與功能

       由于原料來源、制造方法、外觀形狀,應用場合不同，活性炭品種不下千種。
① 按原料來源
       木質活性炭：木質活性炭是指由木材、農作物秸稈、竹材及其加工廢棄物和果殼為原料制造的活性炭產品，可分為木質活性炭（如椰殼活性炭、杏殼活性炭、木質粉碳等）。
       礦物質原料活性炭：這一類活性炭是指由各種煤和石油及其加工產物（包括煤焦油、煤瀝青、煤半焦、石油烴類、石油渣油、石油瀝青、石油焦等）為原料制成的活性炭。
       其他原料的活性炭：為了科學研究和特殊用途的需要以及擴大活性炭原料來源，也可以用合成樹脂、廢橡膠、廢塑料、生活和工業垃圾中的有機物等為原料制造活性炭。現在還有用金屬碳化物為原料，將金屬除去而制造中孔特別發達的活性炭。
       再生活性炭：為了充分利用資源，許多在不同場合對已經使用過且已失去吸附性能的活性炭經過不同方法的加工又恢復了全部或部分吸附性能，進行重復使用。使失去吸附性能的活性炭恢復吸附活性的過程叫活性炭再生，經過再生過程加工的活性炭叫再生活性炭。再生方法有熱再生、化學洗脫、溶劑萃取再生、生物再生等。
② 按制造方法
       可分為化學法活性炭（化學炭）：將含碳原料與某些化學藥品混合后進行熱處理，制取活性炭的方法叫化學法。用化學法生產的活性炭又稱為化學法活性炭或化學炭。可以作為化學法的化學藥品又稱作活化劑，活化劑有氯化鋅、氯化鈣、碳酸鉀、磷酸、磷酸二氫鉀、硫化鉀、硫酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硼酸等，許多酸、堿、鹽都可以用作活化劑，主要從活性炭的性能和經濟性來考慮采用何種活化劑。
       化學制法制造活性炭由于加入了化學品在制造過程中應當極其重視環境保護以及產品中可能存在微量非原料帶入的元素的影響問題。
物理法活性炭：以炭為原料用水蒸氣、二氧化碳、空氣（主要是氧）或它們的混合物（煙道氣）為活化介質，在高溫（600~1000℃）進行活化制取活性炭的方法叫物理法。物理法制的活性炭叫物理法活性炭，也稱作物理炭。
       一般說來物理炭的微孔（孔直徑或孔寬小于1.5納米的空隙）發達，主要用于氣相吸附場合或小分子液相吸附場合。
       化學—物理法或物理—化學法活性炭：在了解化學炭和物理炭的同時，還應當提及化學—物理法或物理—化學法活性炭。選用不同的原料和采用不同的化學法與物理法的組合可以對活性炭的孔隙結構進行調控，從而制取許多性能不同的活性炭。這種化學—物理法或物理—化學法是許多年來及今后相當長時期內世界各國活性炭工作者非常關注的活性炭制取方法。
③ 按照外觀形狀
       粉狀活性炭（PAC）：一般將90% 以上通過80目標準篩或粒度小于0.175mm的活性炭通稱粉狀活性炭或粉狀炭。粉狀炭在使用時有吸附速度較快，吸附能力使用充分等優點，但需專有的分離方法，隨著分離技術的進步和某些應用要求的出現，粉狀炭的粒度有越來越細化的傾向，有的場合已達到微米甚至納米級。
       顆粒活性炭（GAC）：通稱把粒度大于0.175mm的活性炭稱作顆粒活性炭。顆粒活性炭又分為下列幾種：?不定型顆粒活性炭，一般由顆粒狀原料經炭化、活化，然后破碎篩分至需要顆粒度制成，也可以用粉狀活性炭加入適當的粘結劑經適當加工而成。?圓柱形活性炭，又稱柱狀炭，一般由粉狀原料和粘結劑經混捏、擠壓成型再經炭化、活化等工序制成，也可以用粉狀活性炭加粘結劑擠壓成型。柱狀炭又有實心和中空之分，中空柱狀炭是柱狀炭內有人造的一個或若干個有規則的小孔。?球形活性炭，球形活性炭形狀為圓球形的活性炭，它的制取方法與柱狀炭類似，但有成球過程。也可以用液態含碳原料經噴霧造粒、氧化、炭化、活化制成，還有可以用粉狀活性炭加粘結劑成球加工而成。球形活性炭也有實心和空心球形活性炭之分。
       活性炭纖維（ACF）：活性炭纖維是新一代高效活性吸附材料和環保功能材料，是活性炭的更新換代產品。較高的技術含量和較高的產品附加值是其主要特征，可使吸附裝置小型化，吸附層薄層化，吸附漏損小，效率高，節能經濟，可以完成顆粒活性炭無法實現的工作。
       燒結活性炭：燒結活性炭濾芯是80~100目的炭粉通過磨具高溫定型生產。燒結成10"20"30"40"等規格活性炭濾芯，并能夠為用戶定做特殊尺寸的濾芯。燒結活性炭濾芯不僅用于吸附水中的異味及溶解于水中的余氯，而且能夠過濾水中的雜質。
       壓縮活性炭：壓縮活性炭濾芯是采用30~60目無毒，無味高效值的植物活性炭或煤質活性炭做主體，再輔以食用級材料黏合，經特殊工藝加工成型，加上外層PP織布包覆。過濾孔徑為5~10微米，它集吸附、過濾、截獲催化作用于一體，是目前液體、空氣凈化行業中替代散狀活性炭較為理想的新型換代產品。
       ④ 載銀活性炭 選用優質果核殼為原料，采用特殊載銀工藝精制而成。廣泛用于凈水器、礦泉壺飲水機等凈化滅菌設備中，其凈化水的效果高于普通凈水炭。載銀后的活性炭依照銀離子的微動效應起到抑菌、殺菌的作用。
       活性炭在水處理中的應用及存在的問題：活性炭（GAC）已被廣泛應用于水的常規處理和深度處理中。由于活性炭自身的物理特性——超強的吸附能力，決定了它可以用來吸附水中的難聞味道，余氯，脫色等。它已成為去除水中有機污染物的最成熟最有效的方法之一。我國清華大學的研究發現活性炭對水中氯化產生的致突變物質亦有去除作用。然而活性炭在水處理，特別是用于飲用水深度處理的凈化設備中，也存在著無法解決的問題。即活性炭介質的自身污染問題。它就像一個超級的海綿，在吸附大量的有毒有害污染物的同時，在它的微孔中會繁殖大量的細菌。實驗證明，當活性炭過濾器使用到一定時間，活性炭吸附到了大量的有機污染物，而具有殺菌作用的余氯又不存在，此時微生物極易繁殖；有機物在微生物的作用下于活性炭的界面上發生分解，使有機氮逐步分解為蛋白氮，氨氮，亞硝酸鹽氮，使得活性炭過濾器的出水中亞硝酸鹽含量增加。這樣不但達不到凈化水質的目的，反而會污染水質。
       載銀活性炭的出現：銀的殺菌作用早在遠古就被人類發現。在中國銀餐具的使用，在國外人們在鮮牛奶中放入銀幣以延長牛奶的保存時間，都是最早應用銀抗菌的實例。19 世紀末路易斯?巴斯德就發現將金屬銀放入盛水的容器中，顯示出銀的殺菌性能。隨著科學的進步，人們發現膠質銀（粒徑介于10~100nm之間的微細顆粒）能有效的對抗650種以上不同的傳染疾病，另有8種病菌能夠對抗膠質銀。在青霉素發現以前，銀是“古老的抗菌素”，“許多不同種類的耐抗生素病菌都能被膠質銀殺滅”。因此FDA（美國食品與衛生署）允許膠質銀開架銷售。
       我國很多企業在研究和生產載銀活性炭，采用的工藝原理普遍為物理吸附法。過去活性炭載銀，人們往往直接用硝酸銀（AgNO3）水溶解浸漬后干燥，此方法未改變硝酸銀結構，所以一遇水便很快溶解流失。后來，有人將硝酸銀轉化氯化銀以減少流失。目前在國內最先進的方法是采用［Ag(NH3)2］+ 絡合物的方式，使其轉變為活性炭可以吸附的物質。然后再經高溫煅燒使之成為單質銀和氧化亞銀。活性炭對銀氨絡合物的吸附為物理吸附，其鍵能為范德華引力。
       載銀活性炭通常用于小型家用或商用的凈水器中，載銀活性炭選用粒度20～30目的顆粒果殼炭。常用的銀劑是硝酸銀(AgNO3)。滲銀量以銀計小于1％（重量比），當水通過載銀活性炭時，銀離子就會慢慢釋放出來。有資料介紹，銀離子在水中的濃度為0.1～0.2mg／L時就能達到殺菌目的，但此濃度已高于《生活飲用水水質標準》中0.05 mg／L銀含量，我們知道銀是一種重金屬，是對身體有害的，在飲用水凈化中是要去除的物質。如何解決載銀活性炭在水處理中銀的脫落問題，成為載銀活性炭生產工藝的一個關鍵問題。
CARTIS載銀活性炭
       從1993 年開始， 法國科學家Cyril Heitzler 與法國國家科學院多名水處理專家經過8年多年研究試驗，解決了這一世界難題，生產出了一種新型的載銀活性炭（法語為CARTIS）。其基本原理是利用等離子技術實現銀和炭的共價鍵結合。使載銀活性炭由傳統的物理結合變為化學結合。這是一種質的飛躍。
CARTIS載銀活性炭的特點：銀與炭是化學結合（共價鍵）銀不會脫落。吸附能力是普通載銀活性炭的109倍，而且不會滋生細菌。口感改善效果明顯。

(2) 活性炭吸附原理

       活性炭是一種經過特殊處理的炭，每克活性炭的面積為500~1500平方米。活性炭有很強的“物理吸附”和“化學吸附”功能，解毒作用就是利用了其巨大的表面積，將毒物吸附在活性炭的微孔中，從而阻止毒物的吸收。同時，活性炭能與多種化學物質結合，從而阻止這些物質的吸收。活性炭能夠濾除水中化學有機物、色度、異味、氯離子等，并改善口感。
       ① 活性炭中的孔隙可以分成三類
a)微孔：孔徑＜4nm，其表面積占活性炭總的面積的95%以上，是活性炭的主要吸附區；
b)中孔，又稱過渡孔，孔徑＜4nm～100nm，其表面積占總面積的5% 以下，中孔為吸附質進入微孔提供了通道，并可以吸附一些大分子有機物，但因其表面積較小，對大分子有機物的吸附能力有限；
c)大孔：孔徑＞100nm，占不到總表面積的1%，主要為吸附質提供通道。
       ② 活性炭的吸附主要是物理吸附，通過其巨大的表面積對吸附質進行吸附。活性炭在高溫制備中，炭的表面形成了多種官能團對水中的部分離子有一定的化學吸附作用，因此活性炭也可以去除一部分金屬離子，其作用是通過絡合螯合作用，選擇性較高。
       ③ 被吸附物質的化學性狀，和吸附質的分子大小，都會對活性炭的吸附功能有影響，吸附質的極性越強，則被吸附的性能越差。活性炭的主要吸附表面積集中在孔徑＜4nm的微孔區，在飲用水處理中的實際驗測中發現活性炭主要去除相對分子質量＜1000nm的物質，其最大去除區間的相對分子質量為500~1000（飲用水水源中相對分子質量＜500的部分主要為極性物質，不易被活性炭吸附。
活性炭的主要功能是吸附生活飲用水中的有機物和氯，因此生產活性炭應按有關衛生規范進行。炭本身不能溶出影響水質的物質，炭的吸附過濾功能要符合相應的要求。