活性炭

       活性炭（carbon）是一種非常優(yōu)良的吸附劑，它是利用木炭、各種果殼和優(yōu)質(zhì)煤等作為原料，通過物理和化學(xué)方法對原料進(jìn)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(yuǎn)揚是從第一次世界大戰(zhàn)開始。1915年第一次世界大戰(zhàn)期間，德軍向英法聯(lián)軍使用了可怕的新武器——化學(xué)毒氣氯氣18萬kg。英法士兵當(dāng)場死了五千多人，受傷的有一萬五千多人。有“矛”必然就會發(fā)明“盾”，有化學(xué)毒氣必然就會發(fā)明防毒武器。在兩個星期后，軍事科學(xué)家就發(fā)明了防護(hù)氯氣毒害的武器，他們給前線每個士兵發(fā)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(hù)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(jīng)用過十幾種不同的化學(xué)毒氣，包括現(xiàn)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(zhì)才好。這種萬能的解毒劑在1915年末就被科學(xué)家找到了，它就是活性炭。在1917年，交戰(zhàn)雙方的防毒面具里都裝上了活性炭。毒氣對交戰(zhàn)士兵的危害程度就大大降低了。
       隨著全球環(huán)境污染的加劇，活性炭又從戰(zhàn)爭進(jìn)入普通百姓的生活中，它廣泛應(yīng)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(xué)反應(yīng)性能，同時又具有物理、化學(xué)的相對穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于幾乎所有國民經(jīng)濟(jì)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(yīng)用場合不同，活性炭品種不下千種。
① 按原料來源
       木質(zhì)活性炭：木質(zhì)活性炭是指由木材、農(nóng)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(chǎn)品，可分為木質(zhì)活性炭（如椰殼活性炭、杏殼活性炭、木質(zhì)粉碳等）。
       礦物質(zhì)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(chǎn)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(xué)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(yè)垃圾中的有機物等為原料制造活性炭?，F(xiàn)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(fā)達(dá)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(jīng)使用過且已失去吸附性能的活性炭經(jīng)過不同方法的加工又恢復(fù)了全部或部分吸附性能，進(jìn)行重復(fù)使用。使失去吸附性能的活性炭恢復(fù)吸附活性的過程叫活性炭再生，經(jīng)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(xué)洗脫、溶劑萃取再生、生物再生等。
② 按制造方法
       可分為化學(xué)法活性炭（化學(xué)炭）：將含碳原料與某些化學(xué)藥品混合后進(jìn)行熱處理，制取活性炭的方法叫化學(xué)法。用化學(xué)法生產(chǎn)的活性炭又稱為化學(xué)法活性炭或化學(xué)炭?？梢宰鳛榛瘜W(xué)法的化學(xué)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(jīng)濟(jì)性來考慮采用何種活化劑。
       化學(xué)制法制造活性炭由于加入了化學(xué)品在制造過程中應(yīng)當(dāng)極其重視環(huán)境保護(hù)以及產(chǎn)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(zhì)，在高溫（600~1000℃）進(jìn)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(fā)達(dá)，主要用于氣相吸附場合或小分子液相吸附場合。
       化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法活性炭：在了解化學(xué)炭和物理炭的同時，還應(yīng)當(dāng)提及化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法活性炭。選用不同的原料和采用不同的化學(xué)法與物理法的組合可以對活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，從而制取許多性能不同的活性炭。這種化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法是許多年來及今后相當(dāng)長時期內(nèi)世界各國活性炭工作者非常關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yōu)點，但需專有的分離方法，隨著分離技術(shù)的進(jìn)步和某些應(yīng)用要求的出現(xiàn)，粉狀炭的粒度有越來越細(xì)化的傾向，有的場合已達(dá)到微米甚至納米級。
       顆?；钚蕴浚℅AC）：通稱把粒度大于0.175mm的活性炭稱作顆?；钚蕴?。顆?；钚蕴坑址譃橄铝袔追N：?不定型顆?；钚蕴?，一般由顆粒狀原料經(jīng)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(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑經(jīng)適當(dāng)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(jié)劑經(jīng)混捏、擠壓成型再經(jīng)炭化、活化等工序制成，也可以用粉狀活性炭加粘結(jié)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(nèi)有人造的一個或若干個有規(guī)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(tài)含碳原料經(jīng)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(jié)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(huán)保功能材料，是活性炭的更新?lián)Q代產(chǎn)品。較高的技術(shù)含量和較高的產(chǎn)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(jié)能經(jīng)濟(jì)，可以完成顆粒活性炭無法實現(xiàn)的工作。
       燒結(jié)活性炭：燒結(jié)活性炭濾芯是80~100目的炭粉通過磨具高溫定型生產(chǎn)。燒結(jié)成10"20"30"40"等規(guī)格活性炭濾芯，并能夠為用戶定做特殊尺寸的濾芯。燒結(jié)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(zhì)。
       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(zhì)活性炭做主體，再輔以食用級材料黏合，經(jīng)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(yè)中替代散狀活性炭較為理想的新型換代產(chǎn)品。
       ④ 載銀活性炭 選用優(yōu)質(zhì)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(shè)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(yīng)起到抑菌、殺菌的作用。
       活性炭在水處理中的應(yīng)用及存在的問題：活性炭（GAC）已被廣泛應(yīng)用于水的常規(guī)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(xué)的研究發(fā)現(xiàn)活性炭對水中氯化產(chǎn)生的致突變物質(zhì)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(shè)備中，也存在著無法解決的問題。即活性炭介質(zhì)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(xì)菌。實驗證明，當(dāng)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(fā)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(dá)不到凈化水質(zhì)的目的，反而會污染水質(zhì)。
       載銀活性炭的出現(xiàn)：銀的殺菌作用早在遠(yuǎn)古就被人類發(fā)現(xiàn)。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(yīng)用銀抗菌的實例。19 世紀(jì)末路易斯?巴斯德就發(fā)現(xiàn)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(xué)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)銀（粒徑介于10~100nm之間的微細(xì)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?qū)鼓z質(zhì)銀。在青霉素發(fā)現(xiàn)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(zhì)銀殺滅”。因此FDA（美國食品與衛(wèi)生署）允許膠質(zhì)銀開架銷售。
       我國很多企業(yè)在研究和生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，所以一遇水便很快溶解流失。后來，有人將硝酸銀轉(zhuǎn)化氯化銀以減少流失。目前在國內(nèi)最先進(jìn)的方法是采用［Ag(NH3)2］+ 絡(luò)合物的方式，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚蕴靠梢晕降奈镔|(zhì)。然后再經(jīng)高溫煅燒使之成為單質(zhì)銀和氧化亞銀?；钚蕴繉︺y氨絡(luò)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(dāng)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(dá)到殺菌目的，但此濃度已高于《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》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(zhì)。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(chǎn)工藝的一個關(guān)鍵問題。
CARTIS載銀活性炭
       從1993 年開始， 法國科學(xué)家Cyril Heitzler 與法國國家科學(xué)院多名水處理專家經(jīng)過8年多年研究試驗，解決了這一世界難題，生產(chǎn)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(shù)實現(xiàn)銀和炭的共價鍵結(jié)合。使載銀活性炭由傳統(tǒng)的物理結(jié)合變?yōu)榛瘜W(xué)結(jié)合。這是一種質(zhì)的飛躍。
CARTIS載銀活性炭的特點：銀與炭是化學(xué)結(jié)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(xì)菌?？诟懈纳菩Ч黠@。

(2) 活性炭吸附原理

       活性炭是一種經(jīng)過特殊處理的炭，每克活性炭的面積為500~1500平方米?；钚蕴坑泻軓姷摹拔锢砦健焙汀盎瘜W(xué)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(xué)物質(zhì)結(jié)合，從而阻止這些物質(zhì)的吸收。活性炭能夠濾除水中化學(xué)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(qū)；
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(zhì)進(jìn)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(zhì)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(zhì)進(jìn)行吸附。活性炭在高溫制備中，炭的表面形成了多種官能團(tuán)對水中的部分離子有一定的化學(xué)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(luò)合螯合作用，選擇性較高。
       ③ 被吸附物質(zhì)的化學(xué)性狀，和吸附質(zhì)的分子大小，都會對活性炭的吸附功能有影響，吸附質(zhì)的極性越強，則被吸附的性能越差?；钚蕴康闹饕奖砻娣e集中在孔徑＜4nm的微孔區(qū)，在飲用水處理中的實際驗測中發(fā)現(xiàn)活性炭主要去除相對分子質(zhì)量＜1000nm的物質(zhì)，其最大去除區(qū)間的相對分子質(zhì)量為500~1000（飲用水水源中相對分子質(zhì)量＜500的部分主要為極性物質(zhì)，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(chǎn)活性炭應(yīng)按有關(guān)衛(wèi)生規(guī)范進(jìn)行。炭本身不能溶出影響水質(zhì)的物質(zhì)，炭的吸附過濾功能要符合相應(yīng)的要求。