活性碳的性质

活性碳，是一种具有多孔结构和大的内部比表面积的材料。由于其大的比表面积、微孔结构、高的吸附能力和很高的表面活性而成为独特的多功能吸附剂，且其价廉易得，部分还可再生活化，同时它可有效去除废水、废气中的大部分有机物和某些无机物，所以它被世界各国广泛地应用于污水及废气的处理、空气净化、回收稀有金属及溶剂等环境保护和资源回收等领域。

活性碳分为粒状活性碳、粉末活性碳及活性碳纤维，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生赋活而被限制利用 [2] 。

3.2 粒状活性碳（ GAC － granular activated carbon ）

GAC 的 85%~90% 用于水处理和气体吸附处理，它的粒径为 500 ～ 5000μm ， GAC 的孔结构一般是具有三分散态的孔分布 , 既具有按国际纯粹与应用化学会 (IUPAC) 分类的孔径大于 50 nm 的大孔 , 也有 2.0 ～ 50nm 的中孔（过渡孔）和小于 2.0nm 的微孔 [3] 。

由于 GAC 的孔状结构所致 , 它的吸附速度较慢 , 分离率不高 , 特别是它的物理形态使其在应用和操作上的有诸多不便 , 限制了 GAC 的应用范围 [4] 。

3.3 活性碳纤维（ ACF － activated carbon fiber ）

ACF 是继粉状与粒状活性碳之后的第三代活性碳产品 [3] 。 70 年代发展起来的活性碳纤维是随着碳纤维工业发展起来的一种新型，高效的吸附剂。

ACF 是多孔碳家族中具有独特性能的一员，与传统的粒状活性碳（ GAC ）相比， ACF 具有以下特点 [5] ：

① ACF 与 GAC 的孔结构有很大的差异，如图 1 和图 2 所示。 ACF 的孔分布基本上呈单分散态 , 主要由小于 2.0nm 的微孔组成 , 且孔口直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短 , 纤维直径细，故与被吸附物质的接触面积大，增加了吸附几率，且可均匀接触。


图 1 ACF 和 GAC 的孔结构模型

图 2 ACF 与 GAC 的孔径分布
图 2 中：

△ V/ △ logR— 每克吸附剂（ ACF/GAC ）中 , 吸附体积随孔半径变化的变化量。（ ml/g•? ）

② 比表面积大，最大可达 2500 ㎡ /g ，约是 GAC 的 10~100 倍；吸附容量大，约是 GAC 的 1.5~100 倍；吸附能力为 GAC 的 400 倍以上；吸附、脱附速度快， ACF 对气体的吸附数 10 秒至数分钟可达平衡。

③ 孔径分布范围窄，绝大多数孔径在 100? （ 1?=1×10 -10 m ）以下， GAC 的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分，而 ACF 的结构只有微孔及少量的过渡孔，没有大孔，并且孔径均匀，分布比较狭窄，为 0.1~1nm ，这是 ACF 吸附选择性较好的原因。

④ ACF 不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显，对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异，如当甲苯气体含量低到 10ppm （ 1ppm ＝ 1×10 -6 ，即百万分之一，以下同）以下时， ACF 还能对其吸附，而 GAC 必须高于 100ppm 时方能吸附 ;

⑤ 耐热、耐酸碱 ; 具有很强的氧化还原特性 , 可将高价金属离子还原为低价态 ;

⑥ 体积密度小 , 滤阻小 , 约是 GAC 的 1/3 [5] . 可吸附粘度较大的液体物质 , 且动力损耗小 . [12]

而且 ACF 易再生，工艺灵活性大（可制成纱、布、毡和纸等多种制品）；以及不易粉化和沉降等特征，这些特征有利于吸附和脱附，使得 ACF 对各种有机化合物具有较大的吸附量和较快的吸、脱附速度。

吸附剂的吸附性能由吸附剂的比表面积、吸附剂的孔隙直径来决定，其吸附性能的值 log[ （ C 0 － C ） /C] 可由下式计算求得 [6] ：

log[ （ C 0 － C ） /C]=0.0064S － 0.123D － 0.935

式中： C 0 — 初始浓度；

C— 平衡浓度；

S— 吸附剂的比表面积（㎡ /g ）；

D— 吸附剂的孔隙直径（ nm ）。

由上式可见，吸附剂的比表面积越大吸附能力也越大，吸附剂的孔隙直径越小具有的吸附能力越大。活性碳纤维最显著的特点是具有发达的比表面积（ 1000 ㎡ /g~3000 ㎡ /g ）和丰富的微孔，微孔的体积占总孔体积的 90% 以上，微孔直径约 10? （ 1?=1×10 -10 m ）左右，故其吸附能力大。它对硫醇类恶臭气味化合物及苯酚和亚甲基兰等离子具有特殊的吸附能力，且其表面具有疏水性，对水蒸气吸附亲和性小，对空气中的有害气体、臭气 , 特别是有机化合物具有较高的去除效率，适于吸附和脱附频繁的废水处理和空气净化等。 ACF 被认为是 21 世纪最优秀的环境材料之一 . 在气体和液体净化 , 有害气体及液体吸附处理等方面已得到广泛应用 [4] 。

ACF 是非常有发展前途的高效吸附材料，无论污染物质是微量级还是高浓度，都可采用 ACF 进行吸附处理，达到满意效果，在很多领域中都将取代粒状活性碳

活性炭产品之间如何区分，应该如何选择活性炭呢？
　　活性炭是由各种富含碳的原料制造而成。因此，用不同的原料制造的活性炭必然会有不同的特性。一般来说，以煤为原料制造的活性炭通常采用水蒸气或二氧化碳气体活化，产品的形状以颗粒状为主，其孔径分布以微孔居多，更适合于吸附液相和气相中分子量和分子直径较小的物质，吸附性能指标通常以亚甲蓝吸附值和碘吸附值表示；以木屑为原料制造的活性炭通常采取化学法活化，产品的形状以粉状为主，其孔径分布可通过调节化学活化剂的配比来进行控制，比较灵活，既可以制造出孔径分布以微孔居多的产品也可制造出孔径分布中孔（过渡孔）占较大比例的产品，后者则比较适合于吸附液相中分子量和分子直径较大的物质吸附性能指标以焦糖脱色率表示；以果壳类为原料制造的活性炭通常采取水蒸气和二氧化碳气体活化，产品的形状以颗粒状为主，由于其特殊材质的因素，其孔径分布介于上述两类活性炭之间，因此其应用范围更为广泛，缺点是受国内原材料的限制，成品较高。
活性炭有什么性能指标呢？
　　活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、化学性能指标、吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。
　　主要物理性能指标有：形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。
　　主要化学性能指标有：PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。
　　主要吸附性能指标有：亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。
活性炭是如何生产的呢？
活性炭主要采用两种活化手段，一种是化学法，一种是物理法。化学法是用氯化锌或磷酸等化学品为活化剂，针对的原料主要为木屑；物理法是选用水蒸气或二氧化碳等为活化剂，针对的原料为煤、木材、果壳等。