活性炭，我們真的了解嗎

耿雁冰

在小學科學、初中化學中，都有關(guān)于活性炭的內(nèi)容。早在約公元前3750年，木炭就曾經(jīng)在古埃及現(xiàn)身；1900年，英國人開始用炭化植物的方法制造活性炭；第一次世界大戰(zhàn)時，活性炭已經(jīng)在防毒面具里發(fā)揮作用了；1930年，在美國費城，活性炭已經(jīng)成為吸附池除臭領(lǐng)域的No.1。

通過九年級化學中“水的凈化”“金剛石、石墨、C60”等內(nèi)容的學習，同學們對活性炭的了解更加深入了，不但知道活性炭具有吸附性，而且聽說它能吸附很多種物質(zhì)，還能重復使用。這些說法是不是真的？今天，我們一起來好好了解一下。

人們對活性炭的學術(shù)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(zhì)為原材料，經(jīng)炭化、活化等步驟加工制備而成，具有孔隙發(fā)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(tǒng)稱。從定義就可以知道，制備活性炭的材料來源可不只有木材。

煤質(zhì)活性炭：煤炭經(jīng)歷炭化、冷卻、活化、洗滌四大步驟，即可制得煤質(zhì)活性炭，其中炭化和活化最為重要。我國的煤炭儲備居世界前列，為提高煤炭的經(jīng)濟效益，除了發(fā)電，有相當一部分的煤炭被制成了活性炭。因此，有2/3的活性炭是煤質(zhì)活性炭。

木質(zhì)活性炭：顧名思義，木質(zhì)活性炭是以優(yōu)質(zhì)的薪材、木屑（塊）、果殼等為原材料進行加工制備而成的。這類活性炭一般著火點高、吸附容量大、過濾快，因此在生活中反而最為常見。

合成材料活性炭：它的種類最多，而且還有兩個與眾不同的家庭成員，分別是布類合成材料活性炭——炭纖維布和氈類合成材料活性炭——炭纖維氈。需要注意的是，這兩種活性炭經(jīng)常被人們認成是碳纖維家族的成員，其實它們屬于活性炭纖維。雖然碳纖維和活性炭纖維都屬于碳素纖維，但是它們還是有區(qū)別的。前者是以亂層石墨結(jié)構(gòu)形式存在的一種纖維狀碳材料，主要被制作成復合材料，如碳纖維增強塑料。而后者屬于微晶碳系，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，在制作工藝上經(jīng)歷了活化這一步驟，而碳纖維并沒有。

其他類型活性炭：指除以上3類活性炭外，由煤瀝青、石油焦等原材料制備而成的活性炭。相比于其他3類活性炭，它的產(chǎn)量不多，成分也不常見，但是它的本領(lǐng)依舊不小，因具有炭化收率高、灰分含量低等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。

活性炭具有很強的吸附性，無論是新房吸收甲醛、新車除味還是凈水，都能見到它的身影。它的使用范圍到底有多廣？其實，根據(jù)制備活性炭的原材料的不同，使用范圍也是有區(qū)別的。

煤質(zhì)活性炭在工業(yè)上常用作液相吸附類活性炭、氣相吸附類活性炭和高要求領(lǐng)域活性炭等，比如我們熟知的自來水的凈化、蔗糖的脫色、除味、除雜、廢氣凈化和貴重金屬冶煉等。但是，煤質(zhì)活性炭最大的用途還是做催化劑及催化劑載體。

相對來說，木質(zhì)活性炭在生活中的用途更廣，可用作新房吸收甲醛、新車除味、制作防毒面具等。另外，在印刷廠、污水處理廠等地方，木質(zhì)活性炭可對污水進行精處理，降低污水的化學需氧量，使其達到排放標準。木質(zhì)活性炭從溶液中吸附貴金屬的特性也很好，遠優(yōu)于其他活性炭，且機械強度大，在炭漿法等提金工藝中大有用武之地。

炭纖維布與某些膠類成員在一起時，還可形成碳纖維復合材料。它的密度小，輕便柔韌，不怕酸、不怕堿，儲存時間長，能夠重復使用，因此是工程建設(shè)的得力助手。而炭纖維氈簡直就是一個“貪吃的大胖子”，具有吸附性強、容量大的特點，而且它很少“挑食”，廣譜性好，尤其對有機氣體分子的吸附量是粒狀活性炭的幾倍甚至幾十倍。但是，你千萬別以為它只能吸附污染物，它還被用于制作飛機結(jié)構(gòu)外殼、電磁屏蔽材料、航空器材。它的強度大、剛度大、質(zhì)量又輕，還耐疲勞、抗腐蝕，在很多極端環(huán)境或精細場合中都能發(fā)揮作用。

在其他類型活性炭中，有一種瀝青基微球活性炭的本領(lǐng)可不小。由于它的雜質(zhì)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(zhì)的充分吸附，在處理吸附物時也可以快速地把雜質(zhì)去除，所以成為用來凈化載人航天器內(nèi)的空氣、吸附病人血液中的代謝廢物及有害雜質(zhì)的高效吸附料。

所謂人無完人，炭也無完炭。由于瀝青基微球活性炭的孔徑普遍較小，因而在某種程度上限制了它向更多領(lǐng)域擴展。比如，其他3類活性炭都能作為催化劑載體、液相大分子吸附材料等，它卻不能在這些方面一展拳腳。

在化學學習過程中，我們一般說結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。由于活性炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，就導致了它具有強大的吸附性。那么，什么是疏松多孔的結(jié)構(gòu)呢？如何描述其吸附能力？

活性炭在結(jié)構(gòu)上有兩大特點：一是內(nèi)部與表面孔隙發(fā)達。活性炭的孔隙平均直徑約為1.5nm，而常見的有害氣體分子直徑在0.5 nm左右（如甲醛0.45nm、二甲苯0.62nm），因此活性炭內(nèi)部的微孔妥妥地能將這些有害物質(zhì)吸附起來。二是比表面積大。活性炭的比表面積，即1克活性炭粒子的表面積與所有孔隙面積的總和，一般活性炭為500～1 500m2/g，一些超級活性炭可達3 000m2/g（約為足球場的面積）。孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達、比表面積越大，其吸附功能就越強。

這些疏松多孔的結(jié)構(gòu)又是怎么形成的呢？這就涉及一個專業(yè)名詞：活化。活性炭的制備包括炭化和活化兩個過程。炭化是將原料隔絕空氣加熱，使其中的非碳元素以氣體形式逸出。活化是用不同的活化劑和炭化后的原料進行反應(yīng)，通過通孔、開孔和增加新孔等過程，使材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙。活化過程是活性炭制備的控制步驟，要想獲得多孔隙、高比表面積的活性炭材料，必須注重對活化過程的控制。

傳統(tǒng)的活性炭活化方法有物理法、化學法和物理—化學法等。物理活化主要是在高溫下，利用二氧化碳、水蒸氣等活化劑與之前炭化好的原料內(nèi)部的碳原子反應(yīng)，通過開孔、擴孔和創(chuàng)造新孔的途徑形成豐富的微孔。化學活化是在常溫或高溫下，利用氯化鋅、氫氧化鉀及磷酸等化學試劑對原料進行浸漬，同時完成炭化和活化。經(jīng)過活化后，活性炭就具有了我們平常所說的疏松多孔的結(jié)構(gòu)，也就具有了強大的吸附性。

日常生活中，用過的活性炭吸附包能重復利用嗎？有人說，在鹽水里泡一下，再經(jīng)過暴曬就行了。對不對呢？這里又涉及一個專業(yè)名詞：脫附。

脫附是吸附的逆過程，可以讓已被吸附的物質(zhì)從吸附劑中析出，使吸附劑重新獲得吸附能力。脫附可是一門學問。在生活中，人們最常接觸到的可能就是“曬一曬”，但是，這其實并不是真正的活性炭脫附過程。在吸附有害物質(zhì)的過程中，活性炭也吸附了水分，陽光的暴曬只是讓活性炭脫附掉水分，所吸附的有害物質(zhì)還是留存在孔隙內(nèi)。因此，這種方法只能用幾次，而且效果會逐漸變差。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，其原理要么是通過降低活性炭與有害物質(zhì)之間的吸附度，把雜質(zhì)逼出去；要么是通過添加其他物質(zhì)，競爭性地結(jié)合有害物質(zhì)或活性炭本身，從而把雜質(zhì)擠出去。

說了這么多，你對活性炭的了解是不是更深入一些了？

（責任編輯：白玉磊）