活性炭

定义

活性炭是以碳为主体的多孔固体吸附材料，外观多为黑色粉末或颗粒，除碳之外还含有少量氧、氢、硫、氮、氯等元素^[1]。其微晶碳排列不规则，交叉连接之间存在细孔，活化过程又会造成碳组织缺陷，因此质地疏松、堆积密度低、比表面积大^[1]。

按形态区分，活性炭主要有粉末活性炭、颗粒活性炭和活性炭纤维三类，其中颗粒活性炭粒径约为 500～5000 微米，活性炭纤维是在粉状与粒状产品之后发展起来的一类吸附材料^[3]。按原料不同，则可分为木质活性炭、煤质活性炭、果壳活性炭以及以合成树脂热解制得的球形炭等品种^[4][5]。

原理

活性炭吸附的基础是固体表面存在未平衡、未饱和的分子引力，当气体或液体与之接触时，其中的分子被吸引并浓聚在固体表面，这一现象称为吸附^[6]。活性炭孔隙发达、比表面积大，为这种表面作用提供了大量界面，分子先被吸附到外表面，尺寸小于孔径的分子再向内部扩散进入内表面^[7]。

按作用力性质，吸附分为两类：以范德华力为主的物理吸附，以及吸附质与吸附剂表面原子之间形成化学键的化学吸附^[8]。活性炭表面非极性、疏水且亲有机物，在有水或水蒸气存在时仍能发挥作用，孔径分布较宽，可吸附分子大小不同的物质，并具有一定催化能力^[3]。

吸附量随条件变化：吸附是放热过程，体系温度升高时活性炭的吸附容量逐渐降低^[8]。评价吸附能力常用碘吸附值，即每克活性炭在给定条件下吸附碘的毫克数，碘分子直径约 0.534 纳米，可进入微小孔隙，因此该指标与直径小于 2 纳米的微孔表面积正相关^[9]。为满足挥发性有机物治理需要，相关地方管理文件要求选用碘值不低于 800 毫克/克的活性炭^[10]。

发展历程

多孔木炭的吸附用途由来已久，古埃及曾将炭用于医疗，古印度也有用炭过滤饮用水的做法，但这些都是木炭而非人工制造的活性炭^[11]。1900 年和 1901 年，拉斐尔·冯·奥斯特雷科(Raphael von Ostrejko)先后取得多项专利，提出用金属氯化物炭化植物原料，或以二氧化碳、水蒸气活化已炭化物料来制造活性炭，这两条路线分别对应后来的化学活化和物理活化^[12][13]。

1911 年，奥地利与荷兰的企业开始工业化生产粉状活性炭，产品最初主要用于糖液脱色精制^[12][14]。第一次世界大战期间，防护有毒气体的需求推动颗粒活性炭用于防毒面具，战后相关技术转向民用领域^[14]。在水处理方面，1927 年美国芝加哥的自来水厂因原水苯酚污染、加氯后产生异味而采用粉末活性炭应急处理，1930 年美国费城建成颗粒活性炭吸附池用于饮用水除臭^[14]。

中国在 20 世纪 30 年代开始研究活性炭生产工艺，50 年代逐渐形成活性炭工业^[15]。煤基活性炭技术经历了单种煤生产、配煤生产和催化活化三个阶段，其中催化活化法通过在炭化、活化过程中加入催化剂改变成孔机理，以提高吸附性能^[2]。

应用

水处理与气体净化是活性炭用量最大的方向。活性炭可去除水中的氯、有机物等污染物质，也用于城市污水和工业废水的深度处理；在废气治理中，活性炭吸附适用于大风量、低浓度、低湿度、低含尘的有机废气，是目前应用较广的挥发性有机物治理措施之一^[16][2]。溶剂回收与油气回收也多采用活性炭吸附法，吸附饱和后的活性炭可通入高温水蒸气使有机物脱附并冷凝回收^[2]。

在食品与化工行业，活性炭用于糖液脱色、去除异味和产品精制，活性炭作为食品添加剂另有专门的食品安全国家标准加以规范^[14][5]。活性炭纤维比表面积大、微孔发达、吸脱附速度快，可用于环境保护、喷漆、医疗用品、水纯化和溶剂回收等场合^[17]。在贵金属提取中，活性炭用于吸附金，相关吸附容量与速率的测定已有国家标准方法^[5]。

检测与分级方面，碘吸附值、四氯化碳吸附值和亚甲蓝吸附值分别反映活性炭对液体物质、气体物质的吸附能力以及脱色能力^[18]。中国已建立木质活性炭与煤质活性炭两套试验方法标准体系，碘吸附值的测定分别依据 GB/T 12496.8-2015 和 GB/T 7702.7-2023^[19]。

局限

活性炭的吸附容量有限，吸附饱和后需要再生或更换，否则吸附能力下降甚至失效^[20]。在高温或高湿度环境中，其效率会明显下降，对高浓度废气处理效果也有限，且会产生需要二次处理的废活性炭^[21]。吸附效果还取决于污染物分子尺寸与孔径的匹配程度，孔径与分子大小不匹配时吸附效率降低^[21]。

再生是延长使用寿命的主要手段，但再生过程会造成碳损耗和孔结构破坏。热再生中吸附质分解、聚合形成的残余物沉积在孔隙内，使再生后活性炭的比表面积和孔容积下降^[22]。循环再生次数增加时，吸附容量与再生效率呈递减趋势，例如某脱硫用活性炭经 10 次循环后脱硫效率由 98.7% 降至 95.4%，原因包括微孔结构破坏和硫酸盐颗粒堵塞微孔^[23]。此外，实际工程中不少吸附装置未配套再生设备，饱和后只能更换新炭^[24]。

参见

• 吸附 —— 活性炭发挥作用所依据的表面富集现象。

• 比表面积 —— 衡量活性炭孔隙发达程度的基础参数。

• 碘值 —— 表征活性炭微孔发达程度的常用指标。

• 活性炭纤维 —— 在粉状、粒状活性炭之后发展起来的一类纤维状吸附材料。

• 挥发性有机物 —— 活性炭吸附法的主要治理对象之一。

• 防毒面具 —— 第一次世界大战期间推动颗粒活性炭规模化应用的装备。