活性炭，我們真的了解嗎

耿雁冰

在小學(xué)科學(xué)、初中化學(xué)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(guó)人開(kāi)始用炭化植物的方法制造活性炭；第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，活性炭已經(jīng)在防毒面具里發(fā)揮作用了；1930年，在美國(guó)費(fèi)城，活性炭已經(jīng)成為吸附池除臭領(lǐng)域的No.1。

通過(guò)九年級(jí)化學(xué)中“水的凈化”“金剛石、石墨、C60”等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，同學(xué)們對(duì)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(tīng)說(shuō)它能吸附很多種物質(zhì)，還能重復(fù)使用。這些說(shuō)法是不是真的？今天，我們一起來(lái)好好了解一下。

人們對(duì)活性炭的學(xué)術(shù)定義一般是這樣的：活性炭是以煤炭、木料或?yàn)r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(dá)、比表面積充足和表面化學(xué)基團(tuán)豐富的特點(diǎn)，并且擁有強(qiáng)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(lái)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(guó)的煤炭?jī)?chǔ)備居世界前列，為提高煤炭的經(jīng)濟(jì)效益，除了發(fā)電，有相當(dāng)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(jìn)行加工制備而成的。這類活性炭一般著火點(diǎn)高、吸附容量大、過(guò)濾快，因此在生活中反而最為常見(jiàn)。

合成材料活性炭：它的種類最多，而且還有兩個(gè)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(rèn)成是碳纖維家族的成員，其實(shí)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(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)塑料。而后者屬于微晶碳系，是布滿微孔的纖維狀材料，對(duì)有機(jī)氣體具有強(qiáng)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(méi)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(jiàn)，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(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。

活性炭具有很強(qiáng)的吸附性，無(wú)論是新房吸收甲醛、新車除味還是凈水，都能見(jiàn)到它的身影。它的使用范圍到底有多廣？其實(shí)，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(lái)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(duì)來(lái)說(shuō)，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(duì)污水進(jìn)行精處理，降低污水的化學(xué)需氧量，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。木質(zhì)活性炭從溶液中吸附貴金屬的特性也很好，遠(yuǎn)優(yōu)于其他活性炭，且機(jī)械強(qiáng)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(shí)，還可形成碳纖維復(fù)合材料。它的密度小，輕便柔韌，不怕酸、不怕堿，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，能夠重復(fù)使用，因此是工程建設(shè)的得力助手。而炭纖維氈簡(jiǎn)直就是一個(gè)“貪吃的大胖子”，具有吸附性強(qiáng)、容量大的特點(diǎn)，而且它很少“挑食”，廣譜性好，尤其對(duì)有機(jī)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(wàn)別以為它只能吸附污染物，它還被用于制作飛機(jī)結(jié)構(gòu)外殼、電磁屏蔽材料、航空器材。它的強(qiáng)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(xì)場(chǎng)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(huì)對(duì)血液造成二次污染，孔徑分布易控制，能保證對(duì)雜質(zhì)的充分吸附，在處理吸附物時(shí)也可以快速地把雜質(zhì)去除，所以成為用來(lái)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(wú)完人，炭也無(wú)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(kuò)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(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們一般說(shuō)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(dǎo)致了它具有強(qiáng)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(diǎn)：一是內(nèi)部與表面孔隙發(fā)達(dá)?；钚蕴康目紫镀骄睆郊s為1.5nm，而常見(jiàn)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?jī)?nèi)部的微孔妥妥地能將這些有害物質(zhì)吸附起來(lái)。二是比表面積大?；钚蕴康谋缺砻娣e，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(jí)活性炭可達(dá)3 000m2/g（約為足球場(chǎng)的面積）。孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)、比表面積越大，其吸附功能就越強(qiáng)。

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(gè)專業(yè)名詞：活化?；钚蕴康闹苽浒ㄌ炕突罨瘍蓚€(gè)過(guò)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?；罨怯貌煌幕罨瘎┖吞炕蟮脑线M(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)通孔、開(kāi)孔和增加新孔等過(guò)程，使材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙?；罨^(guò)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(duì)活化過(guò)程的控制。

傳統(tǒng)的活性炭活化方法有物理法、化學(xué)法和物理—化學(xué)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(guò)開(kāi)孔、擴(kuò)孔和創(chuàng)造新孔的途徑形成豐富的微孔?；瘜W(xué)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(xué)試劑對(duì)原料進(jìn)行浸漬，同時(shí)完成炭化和活化。經(jīng)過(guò)活化后，活性炭就具有了我們平常所說(shuō)的疏松多孔的結(jié)構(gòu)，也就具有了強(qiáng)大的吸附性。

日常生活中，用過(guò)的活性炭吸附包能重復(fù)利用嗎？有人說(shuō)，在鹽水里泡一下，再經(jīng)過(guò)暴曬就行了。對(duì)不對(duì)呢？這里又涉及一個(gè)專業(yè)名詞：脫附。

脫附是吸附的逆過(guò)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(mén)學(xué)問(wèn)。在生活中，人們最常接觸到的可能就是“曬一曬”，但是，這其實(shí)并不是真正的活性炭脫附過(guò)程。在吸附有害物質(zhì)的過(guò)程中，活性炭也吸附了水分，陽(yáng)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(huì)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(guò)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(guò)添加其他物質(zhì)，競(jìng)爭(zhēng)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(shuō)了這么多，你對(duì)活性炭的了解是不是更深入一些了？

（責(zé)任編輯：白玉磊）