【活性炭基础知识】活性炭是什么？活性炭的特性和原理

今天开始，木炭之家又多了一个内容，就是关于活性炭方面的，但是由于一直缺乏活性炭方面专家的支持，所以在活性炭方面木炭之家是个短板，还好我们邀请到在日本从事活性炭技术和设备研究工作近20年的张工来到木炭之家，未来张工将为大家带来一个神奇的活性炭世界，让大家了解现在国际上活性炭的生产技术、活性炭应用领域以及活性炭的相关产品等。张工是活性炭活化方面的专家，尤其是他的物理活化法，技术先进，对环境友好无污染，活化后的活性炭质量优良，如果您对木炭深加工和活性炭有兴趣，一定不能错过张工的活性炭专栏。

今天张工带来活性炭系列的第一篇文章：《活性炭是什么？活性炭的特性和原理》

1773年Sheele，1777年Fontana发现木炭可以吸附大量气体、空气以来，许许多多的人做 了大量的研究，发现木炭的吸附能随着被吸附目标物的不同而不同。即木炭的选择性吸 附现象。直到19世纪中叶，没有对木炭的吸附进行过有组织的研究。19世纪后期， Stenhouse和Hunter用木炭对多种的有机蒸气做了吸附试验，对不同种类原料的炭的吸附 性能做了广泛的研究。

特别是Hunter经过对不同种类原料的炭的研究，提出了椰壳炭具 有最优的吸附性。Stenhouse为了空气净化，做了吸附用炭的实用实验，1872年开始，就 有关于木炭用于防毒面具的记载。Tait和Dewaer的高真空生成的木炭应用、Ramsay的空 气中的稀释气体的分离是当时非常著名的。最初，工业化利用，相比气相应用，液相应 用更多。如蔗糖的精制。

为了达成液相应用的目的，出现了大量液相用木炭的制作方法 ，特别是经水蒸气及二氧化碳的活化处理以及1900年Ostrejko开发了氯化锌法的炭化工 艺。第一次世界大战时，气相用活性炭被大量生产。液相用活性炭由于易碎，不适合军 用防毒面具，所以当时认为椰壳炭致密坚硬，是当时唯一的高级吸附剂。因此当时对于 气相用活性炭的研究、开发取得了非常大的进步。

同样，在第二次世界大战时，在要求 高信赖性的防毒面具的背景下，技术上也取得了长足的进展。战后，随着化学工业的急 速进步，作为气相和液相吸附剂，活性炭的研究和应用取得了非常大的进步。现在，在 分离工程、精制、触媒、溶剂回收等广泛的领域中被应用，特别是在公害防止和环保领 域正在被广泛地应用。

“charcoal”一般是指木材、煤、草炭、坚果的壳等自然产物经炭化后得到的多孔质炭 素。最近，合成高分子的分解形成的炭化产物也在此列。骨炭（bone char）是指骨的炭 化生成物，与普通的“charcoal”不同，除了炭素之外，还含有大量的无机化合物。

活化，是为了提高“charcoal”或“char”的气体吸附，或从溶液中吸附特定的溶解物 的吸附能力的一种再加工手段。活化过程中，把吸附的有害物质从炭中除去，从构造上 讲，是细孔容积（pore volume）和表面积增加的过程。

炭是无定形类（amorphous form）的，没有金刚石、黑铅构造的非结晶性物质。在X-线 衍射分析中，确认了其含有黑铅结晶子。
一般，活性炭的制造分为原料的炭化和活化两个阶段。木材、坚果壳在隔绝空气或控制 空气量的条件下，在700℃以下加热，达到炭化的目的。炭化温度高于700℃，对后续的 活化处理是不利的。活化后的活性炭吸附能低。因为其含有部分碳氢化合物，细孔容积 较小，细孔倾向于闭锁而不是开放。

活化阶段，通常在900℃的温度下，将炭分散于氧化性气体氛围中。氧化性气体一般是水 蒸气、二氧化碳。这些气体与炭反应的同时，一部分分解，除去吸附的碳氢化合物。活 化的程度对最终生成物的性质影响非常大。活化反应进行的越深，最终生成物的堆积比 重约小，细孔容积和表面积越大，从而吸附饱和时的吸附能增加。

活化的第一阶段，吸附的杂质的除去，打开闭锁的细孔。之后的活化反应，扩展已存的 细孔和通路。特别是对炭素构造的反应性高的部分进行选择性氧化，形成微孔组织。

出发原料的性质最终影响生成物的活性。炭中已存的大孔，即使进行活化反应进行扩展 ，并不能增加表面积。与之相比，更细的微孔，微小的重量损失即可带来非常大的表面 积。这是由于细孔通常是炭素原子团的被氧化而增加，它们比黑铅构造更具有反应活性 。因此，出发原料的炭化，形成更广的细孔分布的构造，活化后的生成物活性炭可以具 有更大的表面积和更大的细孔容积。

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