活性炭及其主要应用方面

活性炭是一种 比表面积大，且具有很强吸附和脱色能力的 炭素材料。早在19世纪，人们就利用它对糖、酒及水等进行脱色、去味。到20世纪90年代，活性炭在污水处理、有机溶剂浓缩回收、空气净化及其他环境保护、黄金提取等领域得到广泛应用。

活性炭外观

活性炭外观

活性炭外观呈粉状、粒状或丸状，具有无定形、多孔结构，孔内表面积很大，对气体具有良好的吸附作用。它通常由木材、硬果壳（如椰子壳）或兽骨等经干馏，并用过热蒸汽在高温（800 - 900℃）下处理而得。活性炭具有很高的微孔度，1克活性炭大约可提供600 - 1200平方英尺的表面积，换句话说一小勺的活性炭就能“压缩”整套房那么大的面积！

活性炭的主要特点

活性炭的主要特点就是多孔结构，比表面积大，有吸附性

活性炭种类繁多，可根据尺寸、制备方法和工业应用，进行 广泛分类：粉状活性炭（RI，PAC）、粒状活性炭（GAC）、珠状活性炭（BAC）、挤压活性炭（EAC）、浸渍活性炭和聚合物涂层活性炭、活性炭纤维（ACF）。按照 原料来源，可分为木质活性炭、兽骨、血炭、矿物质原料活性炭、其它原料活性炭以及再生活性炭。按照 活化方法可分为化学法活性炭（化学炭）、物理法活性炭、化学－物理法活性炭、物理－化学法活性炭。

活性炭的发展

活性炭纤维（Activated Carbon Fiber, ACF）是一种多孔性纤维吸附和环保工程材料

历史上有许多关于活性炭（木炭）的文献记载。公元前1550年，古埃及将木炭作为医用材料。古希腊名医希波克拉底（公元前460-359）及古罗马科学家老普林尼均有记载用木炭治疗癫痫和炭疽病的方法。中国明代医药学家李时珍也在《本草纲目》中提及木炭可用于治疗疾病。

《本草纲目》中也记载了将木炭作为药材治疗疾病，药理作用和它的吸附性有关系

然而直到18世纪末活性炭才真正登上历史舞台。1773年，瑞典化学家舍勒认识到碳（即木炭）的特定吸附能力。1785年，他发现从蒸气到一系列的有机化学物质，木炭都能将其牢牢吸附，并且，在各种水溶液中使用木炭脱色也卓有成效。与此同时，制糖行业一直在寻找一种有效的糖浆脱色方法。遗憾的是普通木炭对色素的吸附能力还很有限。

舍勒在木炭吸附气体方面的研究大大推动了活性炭的发展

1794年，英国一家糖厂成功生产出使用木炭脱色的糖浆，但是对这种木炭的配方秘而不宣。1805年，法国利用木炭脱色第一次大规模生产甜菜糖浆。1805 - 1808年，Delessert在甜菜酿酒中成功使用木炭脱色。到了1815年，制糖业使用木炭脱色已成为行业共识，颗粒状骨炭成为了当时热门的脱色剂。

18世纪末到19世纪初，活性炭的研究方向就是作为脱色剂，主要用于制糖业的糖浆脱色

1911年，奥地利Fanto Works公司销售第一批工业生产的活性炭“Eponit”（商品名），他们采用von Ostrejko气化方法由木材制造Eponit，用作制糖业的脱色剂。

在第一次世界大战中活性炭迎来了它的高光时刻。当时以哈伯为首的德国化学家研制用于战场的毒气，1915年4月22日，德国在第二次伊普尔之役用氯气攻击法国、加拿大和阿尔及利亚联军。之后两军相互使用并研发新型的毒气，其中以芥子气、光气、氯气为主。在美国Chaney领导下，一个小组研究生产防毒面具罐用吸附剂，通过用氯化锌活化木屑，开发出具有足够吸附能力，并且对通过呼吸器滤罐的空气流具有较低阻力的颗粒状活性碳。很快，颗粒活性炭作为吸附剂得到了规模化生产，用于制造军事用途的防毒面具滤毒罐。

上世纪70年代的波兰MUA防毒面具，管道连接的滤毒罐里面填充了活性炭

一战时活性炭的大规模生产促进了它在战后的商业化应用。在欧洲制造活性炭的新原料取得了长足进展，加入椰子、杏仁壳及氯化锌生产出的活性炭具有较高机械性和吸附性。

自20世纪中期起，活性炭材料开始向着“高吸附，大比表面积（≥2500㎡/g），多形态（粉状、球状、颗粒状等），高强度，低成本”方向迈进，并被广泛用于空气净化、溶剂和贵重金属精制与回收、食品保鲜、医药精制、血液净化、防毒面具、放射性物质防护等领域，并取得了令人满意的效果，同时实现了大规模工业化生产。

如今，活性炭最大市场在市政水净化行业

美国环保署制定的饮用水有机污染指标中，活性炭是其中80%污染物行之有效的处理方法。在聚氯乙烯（PVC）管水过滤系统中，活性炭是核心组分。该系统由卵石、棕榈、棕榈纤维、明矾、活性炭（AC）、砾石、氯（Cl2）、光滑的沙子组成， 每种成分均用海绵过滤器分开，以将其固定在特定位置。

具有活性炭和其他成分的水过滤系统

抛开脱色、吸附、净化这些基本应用，

活性炭还在很多高端领域扮演着无名英雄。

01

癌症治疗

在美国，活性炭已应用于乳腺癌、胃癌、食道癌及直肠癌等恶性肿瘤的手术和介入治疗中。应用活性炭吸附不同抗癌药物，选择性在癌细胞存在部位让高浓度抗癌药剂长时间分布。由于药物吸收在活性炭中，有利于它附着在癌组织表面发挥疗效，从而比使用药物水溶液对人体的副作用要小。活性炭具有优良吸附性能的同时还对淋巴系统具有特异趋向性，因此可将淋巴结染黑，指导淋巴结的清除。

02

空气分离、富集氧气

化学工业中存在的主要问题之一是如何从空气中高效分离出氧气，用 活性炭特异性吸附以实现氧气分离的研究早有报道。如通过化学蒸气沉积法对活性炭的孔径进行定向调控，制备成具有分子筛性能、孔径均匀分布的活性炭，对空气中氧气进行分离富集。该技术在国外已有商业化应用。

03

储能材料

锂离子电池通过 使用活性炭作为负极材料，代替充电反应存在问题的金属锂负极，保留了一次锂电池（原电池，不能充电）能量密度大、电压高的优点，同时大大提高了循环使用寿命和安全性能，形成性能优良的二次锂电池（可充电）。

04

催化剂载体

作为催化剂的金属或金属氧化物是因具备活性中心才有催化活性，而结晶缺陷又是活化中心能够存在的主要原因。 活性炭因为结晶缺陷的存在，可作为催化剂广泛应用，特别是在烟道气脱硫、光气氧化、氯化二氰的合成、臭氧分解及电池中氧的去极化等氧化还原反应中。同时，由于具有大的内表面积，活性炭还是理想的催化剂载体，尤其是在光催化剂负载领域，通过活性炭负载光催化剂并将之用于有机废气的降解将是今后发展的重要方向。

“相貌平平”的活性炭，内部却别有洞天，吸引着一批又一批的科学家在这块黑土地上深耕细作，通过不断的改性和调整，做出更有价值的活性炭产品，更好地服务人类社会。

文中图片来源：维基百科