神奇的活性炭家族

孫吉峻 ，李健軍 ，韓琳 ，姚乃宸 ，梅喬健 ，張馨文 ，張琨 ，周宇杰 ，趙全芹

1山東大學基礎醫學院，濟南250012

2山東大學化學與化工學院，濟南250012

大家好，我們是活性炭家族。眾所周知，我們家族可謂是人丁興旺，歷史悠久。早在公元前約3750年，我們的祖輩木炭就曾經在古埃及現身；1900年，英國人開始用炭化植物的方法制造我們；1917年，第一次世界大戰時，我們已經在防毒面具里發揮作用。到1930年，我們先人舉家遷往美國費城，成為吸附池除臭領域的No. 1；再到20世紀50年代初，我們一家又漂泊來到中國，開始在中國大陸留下我們的足跡；后來，我們的子子孫孫陸陸續續在歐洲、日本大展身手，業有所成……

那么，我們究竟是什么呢？人們對于我們活性炭的學術定義一般是這樣的：活性炭是以煤炭、木料或瀝青等含碳元素的物質為原材料，經炭化、活化等步驟加工制備而成的，具有孔隙發達、比表面積充足和表面化學基團豐富的特點，并且擁有強大的特異性吸附能力的炭材料的統稱[1]。

我們的外形可謂千奇百怪，根據外形，通常可將我們分成粉狀(圖1)和粒狀兩大類。其中，粒狀伙伴之間的相貌頗為迥異，他們有的呈圓柱形(圖2)，有的是球形，還有的是不規則的破碎炭(圖3)。隨著物種進化與科學技術的發展，炭分子篩、微球炭、活性炭納米管、活性炭纖維等各種可愛的模樣也逐漸進入人們的視野中。

圖1 粉狀活性炭[2]

圖2 柱狀活性炭[3]

圖3 不規則狀活性炭[4]

我們的身體極為神奇。雖然我們和鄰家的石墨和金剛石都是由碳原子組成的，可我們內部碳原子的排列方式可不像他們的一樣有規律。我們身體內具有晶體結構和孔隙結構，內部的非石墨微晶構造出我們身體發達的孔隙，提供了巨大的吸附容量。至于為什么會出現這種情況，到現在為止也沒有誰能說得清楚，不過有人認為，我們的內部結構是由于組成我們的碳微晶以“螺旋型結構”排列，強烈的交聯作用使得他們彼此再手拉著手，最終產生了我們發達的孔隙[5]。此外，在我們的身體表面也具有一定的化學結構，我們在從母體演化而來的過程中，由于炭化過程中的高溫使得母體芳香片邊緣的化學鍵斷裂，破壞了原本部分邊緣碳原子具有的穩定的電子結構，導致這部分碳原子具有了未成對的電子，這些碳原子中的懸空鍵與雜原子(如H、N、O等)可形成表面基團，也有助于提高我們的吸附性能[6]。

當然，我們的吸附能力并不是與生俱來的，喚醒我們的方法叫作“活化”，目前常用的活化方法有物理活化方法和化學活化方法兩種。物理活化法通常需要先在500 °C的條件下將原材料碳化，之后繼續升溫并通入O2、水蒸氣或CO2等氣體活化劑進行活化[7]。主要反應如下：

該方法的優點是活化劑來源廣泛且價格低廉，操作難度不大，易開展大規模生產；但是能耗大，反應需要的時間長并且產品性能一般。

化學活化法則是將化學試劑嵌入炭顆粒的內部，通過一系列的交聯縮聚反應使得母體內部直接形成復雜的孔隙結構[8]。化學活化可直接通過升溫來進行活化并且耗時較短，但是后續需要清除加入的活化劑。目前常用的活化劑有KOH、ZnCl2和H3PO4。該方法的優點便是產品性能好、活化率高，但是部分活化劑價格比較昂貴，對設備的要求較高，有些反應產物還可能引起環境污染。所以說，選擇一個合適的活化方法對于我們家族的興旺尤為重要。當然，隨著科技的發展，模板合成法、微波輔助活化法等新興方法不斷出現，傳統活化法也在不斷地改進，相信在不久的將來，我們家族的人丁會更加興旺，到時候也會涌現出一批性能更好、更優質的家族成員。

俗話說：“美不在皮囊，而在于風骨。”正是由于我們具有強大的吸附能力，使得我們活性炭家族在環境、能源、醫藥等多個領域戰功顯赫。為了方便人們交流和使用，我們的大家族按照制備的原材料不同又分成了四個家庭，我們分別住在四合院的東南西北屋。每一個家庭又可以依據結構形狀進行更細致的分類，組成各自的家庭成員(表1)。

表1 活性炭家族的住所及其家庭成員一覽表[9]

接下來就讓我們分別走進四合院的東南西北屋，與四個家庭進行進一步的交流，了解家庭成員的作用。

1 煤質活性炭

住在東屋的是老大——煤質活性炭，他的生成與繁衍可謂不易，需要經歷炭化、冷卻、活化、洗滌四大步驟，其中炭化和活化最為重要。老大經過炭化形成基本結構，活化賦予他顆粒活性，即發達的表面積。活化煤質活性炭的方法通常有三種：物理活化法、化學活化法和物理化學聯合活化法[10]，上述不同的處理過程催生出東屋不同的兄弟。我國的煤炭儲備居世界前列，為提高煤炭的經濟效益，除了發電外，有相當一部分煤炭被制作成了東屋的成員。因此，在東屋的人口數量已超過整個家族總人數的三分之二[11]。

因為有著發達的孔隙結構(圖4)，老大家的兄弟都很樂意去跟不同的對象結合，他們都有各自出色的脫單本領。如兄弟們都有發達的比表面積，這使得他們可以與接觸的對象——污染物分子親密接觸。根據吸附過程中，兄弟們和對象之間產生的作用力的不同，可將吸附分為兩大類：物理吸附和化學吸附。當兄弟們和對象的作用力是范德華力或靜電引力時，稱為物理吸附；當兄弟們和對象之間的作用力是通過化學鍵產生的時，稱為化學吸附。當然，兄弟們和對象可以結合，也能夠分手——脫附。脫附是吸附的逆過程，可以讓已被吸附的物質從吸附劑中析出，使吸附劑重新獲得吸附能力。這樣大家就變回單身狗，又可以重新尋找新的結合對象(重復使用)了。

圖4 煤質活性炭電鏡照片(2000 ×) [12]

脫附可是門學問。在生活中，可能你們最常接觸到的就是“曬一曬”，但這其實并不是真正的活性炭脫附過程。因為在我們吸附有害物質的過程中，我們也吸附了空氣中的水分，陽光的暴曬只會讓我們脫附掉水分，我們所吸附的有害物質還是留存在我們體內。因此，這種方法只能用幾次，而且其所取得的效果會逐漸變差。真正的脫附方法有升溫脫附、減壓脫附、沖洗脫附、置換脫附、磁化脫附等[13]，其原理要么是通過降低我們與有害物質之間的吸附度的方法把我們體內的臟東西逼出去；要么是通過添加其他物質，競爭性的結合有害物質或我們本身，從而把臟東西擠出去。

至于老大能在哪里派上用場，那可多了去了：工業上，老大常用作液相吸附類活性炭、氣相吸附類活性炭和高要求領域活性炭等，比如，我們熟知的自來水、飲料的凈化，蔗糖的脫色，除味、除雜，廢氣凈化和貴重金屬冶煉等。但是老大最驕傲的還是做催化劑及催化劑載體，如：鈀炭催化劑、釕炭催化劑、銠炭催化劑、鉑炭催化劑以及鎳炭催化劑等。不過，老大還是很得意他在生活中的用途，比如，凈化空氣、吸附甲醛、衣物防潮等。

2 木質活性炭

住在南屋的是老二——木質活性炭。顧名思義，木質活性炭是以優質的薪材、木屑(塊)、果殼等為原材料，采用當今比較流行的工藝(如物理法、H3PO4法、ZnCl2法)進行加工制備而成的。老二家的兄弟一般性格溫和(著火點高)，心胸寬廣(吸附容量大)，干事雷厲風行(吸附速率快)，因此深受廣大用戶的歡迎。本著“相信自己無限極”的精神，老二家勇于迎接困難，挑戰不同的職業。

聽說最近環境污染對人類的健康造成了巨大危害，于是老二家就有兄弟搖身一變，形成了無數個小顆粒，有的進駐到裝修好的新居中消滅甲醛，有的與污水處理廠合作除去水中的有害雜質。木質活性炭在印刷廠、污水處理廠等地方，對污水進行精處理，可以降低污水的化學需氧量(COD)，使其達到排放標準。

咦，一眨眼的功夫，老二家又有兄弟全副武裝加入了寶藏獵人的行列。木質活性炭從溶液中吸附貴金屬的特性好，遠優于煤質炭等其他活性炭且機械強度大，在炭漿法等提金工藝中大有用武之地。

轟隆一聲，XX煤礦發生了塌陷，十幾名礦工被困在了地下，所幸沒有發生瓦斯泄露，但坑道內的有毒氣體仍隨時會讓人窒息昏迷，形勢十分危急，但只見礦工們訓練有素地帶上了防毒面具，十幾個小時過去，大家終于被救出來了，在外焦急等待的家屬們都驚喜地發現自己的親人安然無恙，不用說，這又是老二家的功勞了。防毒面具的過濾盒中，多為顆粒狀的木質活性炭，這種活性炭的孔徑分布以微孔居多，更適合于吸附分子直徑較小的物質如有毒氣體等。

你問我們為什么可以吸附有毒氣體？其實這和我們吸附臟東西是一個道理的，不論是雜質顆粒、粉塵微粒還是氣體分子，他們都是由分子組成的。國際純粹理論與應用化學聯合會(IUPAC)將我們身上的孔隙分為三類：微孔(直徑小于2.0 nm)，中孔(直徑為2-50 nm)，大孔(直徑大于50 nm) (圖5)。

圖5 活性炭的二維孔隙結構示意圖

而常見的有害氣體分子直徑在0.5 nm左右(甲醛0.45 nm、苯0.58 nm、二甲苯0.62 nm)[14]，因此我們體內足夠小的微孔能妥妥地將這些有害物質吸附起來，保護你們的安全。

老二家庭兄弟姐妹眾多，最擅長的職業其實是做催化劑載體，日語里管催化劑叫觸媒，老二家也就是媒人多了。木質活性炭具有良好的熱穩定性，并且發達的孔隙提供了充足的比表面積，因而是優良的催化劑載體。但由于其耐磨性和耐壓強度較差，因而在制備催化劑載體時常選用以堅硬的椰子殼、杏核等為原料制成的木質活性炭。

老二的家庭還可以稱得上是家族中的“環保標兵”，什么紙漿、椰子殼、廢木屑，經過處理統統可以變成老二的家庭成員。我國的椰子產量已達40萬噸，木材產量逾9000萬立方米，其加工后剩余的邊角廢料除制作化肥外，將其轉化為活性炭也是常用的處理途徑之一。相比于老大家，他們最大的優勢便是原材料來源廣泛并且屬于可再生資源。煤炭可是被譽為“黑色的金子”的珍貴資源，為了可持續利用自然資源，出于子孫后代利益的角度考慮，煤炭必然是能少用一些就少用一些。雖然，木質活性炭的原材料數量遠遠比不上煤質活性炭的原材料數量，并且常常由于原材料的有限性阻礙了老二家庭的壯大，但是論起環保來，其他三個家庭沒有不佩服老二他們的。

盡管老二家神通廣大、本領高強，但他也有自己的煩心事，不為其他，就因為他們的變化太多，名稱、型號太多，讓人眼花繚亂，難以明辨。有資料顯示，我國現有活性炭生產企業達上千家，生產和銷售的活性炭種類、規格各式各樣，總產量達到50余萬噸。但由于活性炭的分類和命名在國內外都沒有標準可以參照，其產品的命名和編號無章可循，造成活性炭市場在銷售與購買方面的混亂，給活性炭的商貿往來活動造成了障礙[15]。2016年，《活性炭分類和命名》國家標準的制訂完善了老二家的戶口、籍貫等身份信息，從此老二再也不擔心大家會認不出他的家庭成員來啦。

3 合成材料活性炭

住在西屋的是老三家——合成材料活性炭。老三家成員的種類最多而且還有兩位與眾不同的家庭成員：布類合成材料活性炭——炭纖維布，氈類合成材料活性炭——炭纖維氈。

這里要注意了，老三家的這兩位兄弟經常被人們認成是炭纖維家族的成員。老三家中的炭纖維布和炭纖維氈屬于活性炭纖維，也就是活性炭家族中的一員。雖然活性炭和炭纖維都屬于碳素纖維，但他們彼此之間可是有區別的。炭纖維是以亂層石墨結構形式存在的一種纖維狀碳材料，其主要被制作成復合材料，如炭纖維增強塑料。他們是一種具有高強度、低密度、耐腐蝕、具有導電作用的新型材料。而我們則屬于微晶碳系，是布滿微孔的纖維狀材料，對有機氣體具有強大的吸附能力，因而我們主要被用于有機溶劑的回收。在制作工藝上，我們經歷了活化這一步驟，而炭纖維他們并沒有。兩家族的最大區別可能就是我們臉上有許多因活化而獲得的“痘坑”。所以，可別再把炭纖維布和炭纖維氈認錯家門了。

炭纖維布的性格特點是具有強大的韌性，當他面對拉扯、撕剪、地震時均有強大的抵抗能力。當他與某些膠類成員在一起時，還可形成炭纖維復合材料。他可以身輕如燕，能在狹小的空間里大展身手還不妨礙其他工作進行；他靈活柔韌，彎折、剪壓均不會對他造成較大影響；他機智靈活，可以包裹許多結構復雜的部件；他勇敢無畏，經常在材料老化、結構裂縫、環境惡劣的情況下被用于構件搶修、防護加固等工程[16]。他不怕酸不怕堿，儲存時間長，能夠重復使用。正因如此，炭纖維布是工程建設的得力助手。

炭纖維氈則是一種用活化炭纖維制成的氈，可以通過炭短絲氣流成網后針刺、預氧絲氈碳化、聚丙烯腈纖維氈預氧化和碳化的方法由活性炭纖維制得。他可是一位貪吃的大胖子，具有吸附性強、容量大的特點，而且他很少挑食，特異性不強，廣譜性好，對有機氣體分子的吸附量是粒狀活性炭的幾倍甚至是幾十倍，當然，他對于無機氣體(如NO、HF、HCl)也具有優良的吸附能力。但是你千萬別以為他只能吸附污染物，他還被用于制作飛機結構外殼、電磁屏蔽材料、航空器材上[17]。他的強度大、剛度大、重量輕、抗疲勞、耐疲勞、抗腐蝕，在很多對材料本身要求高的極端環境或精細場合中，他都能得心應手。

所以說啊，他二位可是把活性炭家族中的物理特性發揮到了極致，碳微晶沿著炭纖維縱向排列，雖然他們的抗壓強度不大，但是碳微晶彼此手拉著手產生了巨大的抗拉強度。并且由于炭纖維本身很細，可以彎曲并附著于很多物體上，讓許多希望能加強自身強度的物體都希望能和他們在一起，更好地為人們的生產生活服務。

4 其他類活性炭

最后要出場的是住在北屋的老四家——其他類型活性炭。其他類活性炭是指除以上三屋活性炭的制備方式外，由煤瀝青、石油焦等其他原質料，制備而成的活性炭[15]。相比于其他三屋的活性炭，老四家里就有些冷清，家中只有瀝青基微球活性炭(圖6)。雖然老四與上述幾家的兄弟比起來，名字略顯奇特，成分也似乎沒有幾位兄弟常見，但是他的本領可依舊不小。他可是在高新技術層面上發揮著自己獨有的重要作用，他能夠凈化航天艙內的空氣、吸附病人血液中的代謝廢物及有害雜質、作為軍用的高效吸附料。并因具有炭化收率高、灰分含量低等優點而受廣泛關注。

圖6 瀝青基微球活性炭電鏡圖片[18]

看著血液緩緩流過裝置，自己成為血液凈化裝置的一部分，老四非常地高興。他的雜質含量低，不會對血液造成二次污染；孔徑分布易控制，能保證對雜質的充分吸附；最后在處理吸附物時，他也可以快速地把自己身上的雜質丟掉。

所謂人無完人，炭也無完炭。由于老四的孔徑普遍較小，在使用領域上他們通常依靠自己的微孔結構來行使功能，因而在某種程度上限制了他向更多領域擴展。比如老大、老二、老三都能作為催化劑載體、液相大分子吸附材料等，老四卻不能在這些方面一展拳腳。當然了，隨著制備技術的發展，若是能夠在保證老四的純度與化學穩定性不降低的情況下，增加他身上孔隙的大小，相信老四也能在其他領域的應用上發揮重要意義。

5 結語

講了這么多，相信大家對我們活性炭家族一定有了大致的了解。雖然我們長相很不起眼，黑不溜秋的，但是我們對人類發展的貢獻可不容小覷，可以稱得上是具有十分重要的意義。我們家族在人類社會生產發展中的應用十分廣泛，例如處理各種污水、廢水，作為催化劑和催化劑載體，制作臨床醫用器械和超級電容器電極，儲備H2以及治理煙氣污染等。我們家族能有如此廣泛的應用關鍵在于我們獨一無二的特點：我們表面具有無數細小的孔隙，其直徑基本在2-50 nm之間，使得少量活性炭也可以擁有非常大的表面積。并且制備我們的含碳原料種類豐富、來源廣泛，用過的活性炭也可以進行再生和循環利用[19]。這樣看來，我們就是一種取材方便、價格低廉、使用簡單、環境友好型的物質啊。可以說我們是“上得了廳堂，下得了廚房”，我們也幾乎沒有危害，不過可不要把我們當成食物了。

好了，活性炭家族就先為大家介紹到這里吧，讓我們與人類在發展與前進的道路上攜手并進！