背景及概述^[1]

一種粉狀或粒狀具有很強(qiáng)吸附能力的多孔無(wú)定形炭。在化學(xué)選礦中，離子交換吸附法凈化浸出液或浸出礦漿時(shí)常用的一種吸附劑。它是由固態(tài)碳質(zhì)物(如煤、木料、硬果殼、果核、樹脂等)在隔絕空氣條件下經(jīng)600～900℃高溫炭化，然后在400～900℃條件下用空氣、二氧化碳、水蒸氣或三者的混合氣體進(jìn)行氧化活化后獲得的。炭化使碳以外的物質(zhì)揮發(fā)，氧化活化可進(jìn)一步去掉殘留的揮發(fā)物質(zhì)，產(chǎn)生新的和擴(kuò)大原有的孔隙，改善微孔結(jié)構(gòu)，增加活性。低溫(400℃)活化的炭稱L-炭，高溫(900℃)活化的炭稱H-炭。H-炭必須在惰性氣氛中冷卻，否則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)-炭?；钚蕴康奈叫阅芘c氧化活化時(shí)氣體的化學(xué)性質(zhì)及其濃度、活化溫度、活化程度、活性炭中無(wú)機(jī)物組成及其含量等因素有關(guān)，主要取決于活化氣體性質(zhì)及活化溫度。

活性炭的含炭量、比表面積、灰分含量及其水懸浮液的pH值皆隨活化溫度的提高而增大?；罨瘻囟扔?，殘留的揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)愈完全，微孔結(jié)構(gòu)愈發(fā)達(dá)，比表面積和吸附活性愈大。隨炭中揮發(fā)物的去除，炭中的灰分含量增大?；钚蕴恐械幕曳种饕蒏2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等組成?；曳纸M成及其含量對(duì)炭的吸附活性有很大影響，一般可用鹽酸或氫氟酸浸泡再水洗的方法去除或降低活性炭的灰分?；钚蕴康幕曳趾颗c制取活性炭的原料有關(guān)。活性炭中氫和氧的含量隨活化溫度的升高而降低?；钚蕴繉?duì)酸或堿的吸附能力與其水懸浮液的pH值有關(guān)，使蒸餾水的pH值降低的活性炭對(duì)堿有較強(qiáng)的吸附能力；使蒸餾水的pH值上升的活性炭對(duì)酸有較強(qiáng)的吸附能力?；钚蕴康臋C(jī)械強(qiáng)度與制取活性炭的原料及炭化溫度有關(guān)，炭化溫度超過(guò)700℃時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度將顯著增大。

用途^[2-3]

活性炭是一種用途十分廣泛的吸附劑，小孔徑的活性炭可用作氣體分離、回收溶劑蒸氣、冰箱脫臭劑、防毒面具中的吸附劑，大孔徑可用作脫色，清除溶液中的呈色物質(zhì)，例如白糖、葡萄糖、酒類、油脂、醫(yī)藥、水的凈化等的脫色；催化劑。

1. 氣相吸附應(yīng)用

活性炭的氣相吸附應(yīng)用有很多，如與儲(chǔ)氫合金形成的復(fù)合材料可以在溫和條件下吸附氫氣或天然氣混合物，從而可以應(yīng)用于煉油廠催化干氣中氫氣的吸附；城市天然氣用量隨時(shí)間變化而或高或低，通過(guò)高比表面積的活性炭吸附罐可以有效實(shí)現(xiàn)天然氣管道下游調(diào)峰，進(jìn)而降低投資成本。除用于能源氣體的儲(chǔ)存外，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還開發(fā)出了基于活性炭的，具有多次再生功能的新型織物，并將之應(yīng)用于許多特殊服裝如飛行服、抗皺內(nèi)衣等的制造。

1）凈化室內(nèi)空氣：與室外空氣污染相比，室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)健康的危害更為直接，是導(dǎo)致人們過(guò)敏、氣喘、免疫疾病等的重要原因。室內(nèi)環(huán)境污染的污染源很多，包括建筑裝潢材料、廚房油煙、家具用品以及煙草煙氣等。隨著人們對(duì)家居環(huán)境的重視程度越來(lái)越高，室內(nèi)空氣凈化用活性炭的市場(chǎng)需求越來(lái)越大，因此適于室內(nèi)用的即效性活性炭空氣凈化裝置也將會(huì)得到普及［14］。根據(jù)室內(nèi)有毒氣體的種類和分子大小，經(jīng)過(guò)孔徑調(diào)控的活性炭可以特異性的將之去除，從而根除室內(nèi)污染。化學(xué)噴涂方法只能暫時(shí)遮蓋或淡化污染物氣味，不能穩(wěn)定去除緩慢釋放的有害氣體。目前，民用活性炭的市場(chǎng)已超過(guò)10億元/年，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，但是暫沒有相關(guān)國(guó)家或行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場(chǎng)混亂，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。由中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所承擔(dān)的室內(nèi)空氣凈化活性炭的系列標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后將有效規(guī)范空氣凈化活性炭的市場(chǎng)。

2）電廠煙氣聯(lián)合脫硫、脫硝、脫汞：活性炭吸附脫硫、脫硝、脫汞是燃煤煙氣干法凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其適用于缺水地區(qū)，目前國(guó)家相關(guān)部門正在編制電廠煙氣治理用吸附劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，今后這一類的產(chǎn)品將得到迅速發(fā)展。活性炭脫硫技術(shù)在國(guó)外已比較成熟，最新的脫硫技術(shù)是在活性炭上負(fù)載鈷、鎳、釩、鎂等金屬以提高對(duì)二氧化硫的脫除性能。通用方法是先將金屬離子引入煤和木質(zhì)材料表面，引入的方式一般為絡(luò)合或者離子交換，隨后再對(duì)原料進(jìn)行炭化和活化。此外也有報(bào)道稱9%的碳酸鈉溶液改性的活性炭對(duì)硫化氫具有特異吸附選擇性。

3）油氣回收專用：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車燃油揮發(fā)已成為空氣污染的重要源頭之一。研究表明：汽車總污染的40%左右來(lái)源于油氣揮發(fā)污染，這占到了尾氣排放污染的60%～70%。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)外科研工作者開發(fā)了具有高效吸附/脫附油氣功能的活性炭，并將之應(yīng)用于汽車揮發(fā)性汽油回收，節(jié)約能源的同時(shí)還保護(hù)了環(huán)境。目前國(guó)外的活性炭正丁烷工作容量(BWC)已從幾年前的90～110g/L提高到150g/L，且高容量、低殘留的油氣回收用活性炭也在不斷開發(fā)當(dāng)中。國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)油氣回收專用活性炭的使用也已開始，如北京燕山石化煉油廠通過(guò)使用活性炭油氣回收裝置，在2006年就回收了高達(dá)288t的汽油，合人民幣約150萬(wàn)。這僅僅是在油氣回收率為0.24%的條件下單個(gè)煉油廠的汽油回收效益，若放大到全國(guó)，每年排放到大氣中的油氣高達(dá)幾萬(wàn)噸，對(duì)之進(jìn)行有效回收將具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。

4）吸附凈化有機(jī)廢氣：隨著全球工業(yè)化趨勢(shì)的加速，使用有機(jī)溶劑的行業(yè)及種類也越來(lái)越多，為防止這些溶劑在使用過(guò)程中直接排入大氣造成污染，必須進(jìn)行回收或凈化處理?；钚蕴恳騼r(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單等特性而被廣泛應(yīng)用于有機(jī)溶劑的吸附?；钚蕴勘砻娑栊曰幚砗?，對(duì)高濃度貴重有機(jī)氣體進(jìn)行吸附/解吸，避免有機(jī)溶劑在活性炭表面發(fā)生催化改性，導(dǎo)致回收的貴重有機(jī)溶劑無(wú)法重復(fù)使用。對(duì)于低濃度有機(jī)廢氣，建議使用負(fù)載金屬催化劑的活性炭，在吸附過(guò)程同時(shí)將有機(jī)溶劑催化降解為CO2和H2O，目前比較容易凈化到10－6濃度級(jí)別。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保和資源循環(huán)利用重視度的提高，活性炭整套回收有機(jī)溶劑系統(tǒng)的需求也必將越來(lái)越大。

5）空氣分離：富氧化學(xué)工業(yè)中存在的主要問(wèn)題之一是如何從空氣中高效的分離出氧氣。雖然困難重重，但是以活性炭特異性吸附以實(shí)現(xiàn)氧氣的分離的研究早有報(bào)道，如通過(guò)化學(xué)蒸氣沉積法對(duì)活性炭的孔徑進(jìn)行定向調(diào)控，制備成具有分子篩性能，孔徑均勻分布的活性炭，對(duì)空氣中的氧氣進(jìn)行分離富集已在國(guó)外商業(yè)化中應(yīng)用。

6）氫氣/甲烷的儲(chǔ)存：含能物質(zhì)(如氫氣、天然氣)的有效儲(chǔ)存作為一種新型的節(jié)能技術(shù)而受到科技工作者的高度關(guān)注。在航天領(lǐng)域中應(yīng)用的氫，都是在高壓下液化儲(chǔ)存的，不僅費(fèi)用昂貴，而且非常不安全，因此研制在常溫和較低壓力下，方便、高效地儲(chǔ)存和釋放氫能的材料一直是科研人員追求的目標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了比表面積超大(3500m2/g)，孔徑小且分布均勻的超級(jí)活性炭作為儲(chǔ)存燃料氣體的載體，常溫和4MPa條件下可儲(chǔ)存2%；而在77K低溫條件下，采用3MPa就可吸氫5%。目前儲(chǔ)氫炭材料主要有單壁納米碳管(SWNT)、多壁納米碳管(NWNT)、碳納米纖維(CNF)、碳納米石墨、高比表面積活性炭、活性炭纖維(ACF)和納米石墨等。與上述儲(chǔ)氫材料相比，超級(jí)活性炭的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫量高、經(jīng)濟(jì)、解吸快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)和易產(chǎn)業(yè)化，從而成為很具潛力的儲(chǔ)氫方法。

2. 液相吸附應(yīng)用

活性炭液相吸附的應(yīng)用非常廣，包括制藥、化工、環(huán)保和食品等。美國(guó)環(huán)保署制定的飲用水有機(jī)污染指標(biāo)中，活性炭是其中64項(xiàng)指標(biāo)中的51項(xiàng)污染物的最有效技術(shù)。因此，水處理是活性炭應(yīng)用最為廣泛的市場(chǎng)，將是21世紀(jì)活性炭應(yīng)用增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。

1）移動(dòng)式水處理系統(tǒng)：水處理用活性炭的發(fā)展方向是小型化和便捷化。Calgon公司開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的處理設(shè)備(Cyclesorb＆regHP)，內(nèi)裝近1t顆?；钚蕴?，對(duì)水的處理流量達(dá)0.27m3/min，使用完畢后用戶還可將該設(shè)備運(yùn)回Calgon公司，以方便活性炭的再生。

2）重油的脫色：除臭氧化變色的重油和柴油經(jīng)活性炭脫色處理后，燃油的色度降到3.5以內(nèi)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。含硫超標(biāo)的汽油一般具有惡臭，通過(guò)活性炭處理脫臭后，含硫量亦可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。活性炭載重油脫色除臭中需面對(duì)的主要問(wèn)題是重油的黏度太大，不利于活性炭的脫色和除臭。

3）金屬離子的吸附：目前國(guó)際市場(chǎng)上暢銷的活性炭產(chǎn)品是用于重金屬回收的活性炭，這類活性炭的售價(jià)往往較高。Norit公司開發(fā)的重金屬吸附專用活性炭可以選擇性地吸附重金屬離子，且吸附率高達(dá)85%，該產(chǎn)品的特點(diǎn)是微孔發(fā)達(dá)、強(qiáng)度高、堆積密度高和吸附/脫附速度快。通過(guò)重金屬回收用活性炭，可以對(duì)海水中的稀有金屬和重金屬進(jìn)行回收，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

4）制藥過(guò)程選擇性吸附：活性炭在制藥行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，無(wú)論是在生物制劑、化學(xué)合成藥、激素、維生素，還是針劑、大輸液等，都需使用活性炭作為吸附劑或催化劑載體。對(duì)于維生素而言，活性炭起到了選擇性吸附作用，可將維生素A從胡蘿卜素中分離，也能將維生素A和維生素D分離，也可將乳清中的維生素G吸附聚集從而用熱水洗滌出來(lái)?；钚蕴恳部墒咕S生素C進(jìn)行脫色后結(jié)晶，避免維生素C被氧化轉(zhuǎn)化為去氫抗壞血酸?；钚蕴恳部晌揭葝u素、腎上腺皮質(zhì)激素及垂體后葉催產(chǎn)激素等激素，然后將活性炭吸附的活性成分過(guò)濾再提取。

5）臨床醫(yī)療

口服緊急解毒藥活性炭可以用于胃腸道疾病的治療和解毒，使用過(guò)程具有簡(jiǎn)單便利、便宜和見效快等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在不知道是何種毒物中毒時(shí)，活性炭口服解毒法所起到的作用是其他藥物所無(wú)法代替的；其次活性炭也可起到治療酒醉、食物中毒等急性臨床治療作用。日本通過(guò)給有肝臟和腎臟障礙的實(shí)驗(yàn)犬服用球狀活性炭試制的吸附材料AST-120(直徑0.2～0.3mm)，成功延長(zhǎng)了壽命；口服活性炭在芬蘭是甲醇和乙醇中毒患者的首選治療方法，治療效果顯著；而在中國(guó)香港，活性炭也是中毒患者急診治療的首選；俄羅斯針對(duì)兒童腹瀉、中毒等癥狀也已允許口服活性炭來(lái)進(jìn)行臨床治療。隨著時(shí)代的發(fā)展，活性炭臨床藥品有望成為保健和排毒治療的常規(guī)藥品，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

凈化血液目前，血液凈化是活性炭作為吸附劑在醫(yī)學(xué)上的典型應(yīng)用之一，包括血液灌流、血液透析等。血液灌流活性炭與血細(xì)胞直接接觸，必須應(yīng)用具有生物相容性的親凝膠、高分子材料包覆活性炭，通常采用球狀活性炭通過(guò)吸附引起腎臟障礙的物質(zhì)將其從體內(nèi)清除，減少體內(nèi)毒物的累積，已通過(guò)臨床試驗(yàn)。血液透析又稱人工腎，是根據(jù)膜平衡原理，將患者血液通過(guò)一種有許多小孔的薄膜選擇性地通過(guò)補(bǔ)充體內(nèi)所需物質(zhì)，達(dá)到清除體內(nèi)有害物質(zhì)的目的，但是對(duì)于血液中分子物質(zhì)的去除效果較差，而活性炭由于其優(yōu)良的吸附性能，不溶于透析液，不會(huì)透過(guò)透析膜，因此它是透析液再生的一種吸附劑，可減少透析液的使用量。

治療癌癥在美國(guó)，活性炭已應(yīng)用于乳腺癌、胃癌、食道癌及直腸癌等惡性腫瘤的手術(shù)和介入治療中。應(yīng)用活性炭吸附不同的抗癌藥物，選擇性的在癌細(xì)胞存在部位讓高濃度的抗癌藥劑長(zhǎng)時(shí)間地分布，而在其他健康的部位，盡可能不讓抗癌藥劑分布。由于藥物吸收在活性炭中，有利于附著于癌組織表面發(fā)揮療效，從而比使用藥物的水溶液對(duì)人體全身的副作用要小?；钚蕴烤哂袃?yōu)良吸附性能的同時(shí)還對(duì)淋巴系統(tǒng)具有特異趨向性，因此可將淋巴結(jié)染黑，從而指導(dǎo)淋巴結(jié)的清除。此外，活性炭吸附的抗癌藥物在淋巴結(jié)富集后還可以通過(guò)功能性緩釋以維持藥物在該部位的較高濃度。目前癌癥治療用活性炭的研究重點(diǎn)主要分為兩個(gè)方面：一是活性炭顆粒直徑的調(diào)控，以使其更適應(yīng)淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的要求；二是針對(duì)腫瘤種類的不同選擇活性炭吸附的抗癌藥物的劑型和劑量，以減少并發(fā)癥，抑制淋巴癌轉(zhuǎn)移，為腫瘤的治療開辟新領(lǐng)域。

6）生物活性炭：生物活性炭是指在活性炭的孔內(nèi)使微生物繁殖，具有好氧生物活性的一種新型水凈化用炭材料。國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)際應(yīng)用表明，在對(duì)飲用水的深度處理中，生物活性炭對(duì)水中化學(xué)需氧量(COD)、濁度、色度有很好的去除作用，已在許多國(guó)家成功地應(yīng)用于飲用水的處理、污水處理、臭氧-生物活性炭工藝等，并且可通過(guò)微生物和加熱兩種手段再生。生物活性炭至今仍處于研究中，主要是應(yīng)用技術(shù)和工程化開發(fā)。生物活性炭利用了吸附富集和生物降解的協(xié)同作用，可作為高度凈水處理方法，今后將得到普及。

3. 作為催化劑載體的應(yīng)用

作為催化劑的金屬或金屬氧化物是因具備活性中心才有催化活性，而結(jié)晶缺陷又是活化中心能夠存在的主要原因。石墨化炭和無(wú)定形炭是活性炭晶型的組成部分，因?yàn)榫哂胁伙柡玩I，所以表現(xiàn)出類似結(jié)晶缺陷的功能?；钚蕴恳?yàn)榻Y(jié)晶缺陷的存在而被作為催化劑廣泛應(yīng)用，尤其是在煙道氣脫硫、光氣氧化、氯化二氰的合成以及臭氧分解及電池中氧的去極化等氧化還原反應(yīng)中更是如此。同時(shí)，因?yàn)榫哂写蟮膬?nèi)表面積，活性炭還是理想的催化劑載體，尤其是在光催化劑負(fù)載領(lǐng)域，通過(guò)活性炭負(fù)載光催化劑并將之用于有機(jī)廢氣的降解將是今后發(fā)展的重要方向。

1）負(fù)載TiO2

光催化是目前環(huán)境污染控制治理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在眾多光催化劑中，相比其它金屬氧化物和硫化物類半導(dǎo)體，TiO2因?yàn)榫哂袃?yōu)異的光催化活性和穩(wěn)定性，較低的毒性和價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)而得到了更深入的研究和更廣泛的關(guān)注，在業(yè)印染廢水、工業(yè)有機(jī)廢氣凈化等領(lǐng)域已成功應(yīng)用。

2）負(fù)載MnO2MnO2

作為一種半導(dǎo)體類光催化劑，在室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的去除應(yīng)用中表

現(xiàn)出優(yōu)異的性能。日本企業(yè)將MnO2和粉狀活性炭混合后添加到玻璃纖維中用于室內(nèi)甲醛的去除，得到了比較理想的結(jié)果，與未使用該材料的室內(nèi)空氣對(duì)比，使用該材料的室內(nèi)空氣中甲醛的含量明顯降低。

3）負(fù)載ZnO：納米ZnO是另外一種半導(dǎo)體類光催化劑，其作為光催化劑時(shí)，可將VOCs類污染物逐步氧化為醇、醛和酸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污染物的降解。對(duì)比研究光照和無(wú)光照條件下，甲苯蒸氣以勻速通過(guò)活性炭負(fù)載的氧化鋅光催化劑材料后的甲苯穿透率，結(jié)果表明，在不光照條件下，甲苯的平均穿透率約為95.3%，而光照條件下甲苯的穿透率為81.7%，說(shuō)明活性炭負(fù)載的氧化鋅光催化材料具備一定的光催化性能。

4. 作為儲(chǔ)能材料的應(yīng)用

活性炭在電池和電能貯存方面的應(yīng)用歷史悠久，早在19世紀(jì)初(1802年)，碳材料就成為電池的電極材料，1930年活性炭電極電池就已制作完成，活性炭電極被應(yīng)用于雙電層電容器、活性炭-空氣電池、鋰離子二次電池等。

1）雙電層電容器：電極雙電層電容器電極具有體積小、質(zhì)量輕、單位質(zhì)量(或體積)能量密度大、充電快、無(wú)污染等優(yōu)越性能，在電力、汽車、鐵路、通訊等領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿??；钚蕴烤哂斜缺砻娣e和比電容大、孔徑分布窄、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，是制備雙電層電容器電極的材料。作雙電層電容器的電極材料時(shí)，活性炭的中孔和孔徑較大的微孔才是形成雙電層作用的主要部分，所以有必要采取合適的工藝來(lái)調(diào)控高比表面積活性炭的孔結(jié)構(gòu)，使其孔徑分布主要集中在直徑較小的中孔和直徑較大的微孔范圍內(nèi)，以形成更大的雙電層。

2）空氣-鋅電池：空氣-鋅電池的負(fù)極用鋅，正極用空氣中的氧氣?；钚蕴孔鳛榭諝怆姵氐恼龢O材料，負(fù)責(zé)將空氣吸取到電池體系內(nèi)。在活性炭上添加二氧化錳、鉛、銀等催化劑，可以促進(jìn)氧氣的活化與擴(kuò)散，提高電池的能量密度，并長(zhǎng)期保持高的電壓。該類活性炭要求導(dǎo)電性好、比表面積大、填充密度高、孔徑分布集中，化學(xué)穩(wěn)定性好。

3）鋰離子電池：鋰離子電池通過(guò)使用活性炭作為負(fù)極材料，代替充電反應(yīng)方面還存在問(wèn)題的金屬鋰負(fù)極，保留了一次鋰電池能量密度大、電壓高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)極大的提高了循環(huán)使用壽命和安全性能，形成了性能優(yōu)良的二次鋰電池。通過(guò)調(diào)控高比表面積活性炭(＞3000m2/g)的孔徑分布，提高對(duì)鋰離子的表面吸附性能，從而獲得很高的能量密度，并且大大提高充放電速率，有望開發(fā)出更高能量密度的鋰離子電池。

制法^[3]

1. 化學(xué)活化法

化學(xué)活化法就是通過(guò)將各種含碳原料與化學(xué)藥品均勻地混合后，一定溫度下，經(jīng)歷炭化、活化、回收化學(xué)藥品、漂洗、烘干等過(guò)程制備活性炭。磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硫酸、碳酸鉀、多聚磷酸和磷酸酯等都可作為活化試劑，盡管發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不同，有些對(duì)原有侵蝕、水解或脫水作用，有些起氧化作用，但這些化學(xué)藥品都可對(duì)原料的活化有一定的促進(jìn)作用，其中最常用的活化劑為磷酸、氯化鋅和氫氧化鉀。化學(xué)活化法的活化原理目前還不十分清楚，一般認(rèn)為化學(xué)活化劑具有侵蝕溶解纖維素的作用，并且能夠使原料中的碳?xì)浠衔锼械臍浜脱醴纸饷撾x，以H2O、CH4等小分子形式逸出，從而產(chǎn)生大量孔隙。此外，化學(xué)活化劑能夠抑制焦油副產(chǎn)物的成，避免焦油堵塞熱解過(guò)程中生成的細(xì)孔，從而可以提高活性炭的收率。雖然最近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)化學(xué)化法的研究較多，也制得了高比表面積的活性炭產(chǎn)品，但對(duì)活化機(jī)理研究還需要不斷深入。

1)磷酸活化法磷酸法制備活性炭的過(guò)程中，磷酸與木質(zhì)纖維原料的作用機(jī)理可分為以下幾個(gè)方面：潤(rùn)脹作用、加速活化作用、脫水作用、氧化作用和芳香縮合作用。經(jīng)過(guò)近10年來(lái)的快速發(fā)展，我國(guó)木質(zhì)磷酸法粉狀活性炭實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化自動(dòng)化和清潔化生產(chǎn)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

磷酸活化法的基本工藝包括木屑篩選、干燥、磷酸溶液配制、混合(或浸漬)、炭化、活化、回收、漂洗(包括酸處理和水洗)、離心脫水、干燥與磨粉等工序，如生產(chǎn)顆?；钚蕴窟€需增加捏合工藝。另外，附設(shè)專門的廢氣凈化系統(tǒng)，回收煙氣中的磷酸和炭粉，減少對(duì)環(huán)境的污染。磷酸活化法的生產(chǎn)工藝中，要注意在炭化段控制溫度，讓磷酸充分滲透入木屑，再與活化段協(xié)同控制，可以明顯提高活性炭吸附能力，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)適當(dāng)降低活化溫度對(duì)降低產(chǎn)品灰分有利。炭活化尾氣采用多段液相回收可以增加磷酸和細(xì)炭粉的回收，采用高壓靜電方式也有利于尾氣中焦油的去除。

2)氯化鋅活化法ZnCl2

在活化過(guò)程中使木質(zhì)纖維原料發(fā)生脫氫反應(yīng)并進(jìn)一步芳構(gòu)化，從而形成初步孔結(jié)構(gòu)，水洗脫除氯化鋅后即形成孔隙結(jié)構(gòu)。此外還有學(xué)者認(rèn)為氯化鋅在炭化時(shí)形成新生炭沉積的骨架，當(dāng)其被洗去之后，炭的表面便暴露出來(lái)，構(gòu)成了具有吸附力的活性炭?jī)?nèi)表面。氯化鋅活化工藝流程與磷酸活化法工藝基本相似。氯化鋅法活性炭由于其孔徑分布相對(duì)集中、吸附力強(qiáng)等特點(diǎn)，一直受到國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的青睞，需求量逐年增加。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氯化鋅法活性炭的廠家主要集中在福建省、江西省和安徽省，已有多家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了環(huán)保排放達(dá)標(biāo)生產(chǎn)?；钚蕴可a(chǎn)中間歇法的平板爐活化方式由于手工操作多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重、能耗高等問(wèn)題，已被明確淘汰；回轉(zhuǎn)爐法具有生產(chǎn)能力大、機(jī)械化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外氯化鋅法活性炭的主體設(shè)備，工藝難點(diǎn)在于尾氣處理和氯化鋅回收等方面。日本使用外熱式回轉(zhuǎn)爐較多，中國(guó)普遍使用的是內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)爐。外熱式與內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)爐的主要區(qū)別在于外熱式的高溫氣流與物料不直接接觸，而是靠爐壁輻射加熱物料，這種爐型有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高，但對(duì)制造回轉(zhuǎn)爐的材料有較高要求；內(nèi)熱式則是高溫?zé)煔饬髦苯蛹訜嵛锪?，?duì)爐體材料要求較低，比較節(jié)能。

3)氫氧化鉀活化法：KOH活化法是20世紀(jì)70年代興起的一種制備高比表面積活性炭的活化工藝，其活化過(guò)程是將原料炭與數(shù)倍炭質(zhì)量的KOH或NaOH混合，在不超過(guò)500℃下脫水后于800℃左右煅燒若干時(shí)間，冷卻后將產(chǎn)品洗滌至中性即可得到活性炭。反應(yīng)機(jī)理目前認(rèn)為是活化過(guò)程中被消耗的炭主要生成了碳酸鉀，同時(shí)在800℃左右，被炭還原的金屬鉀(沸點(diǎn)762℃)析出金屬鉀的蒸氣不斷進(jìn)入碳原子所構(gòu)成的層與層之間進(jìn)行活化，這兩個(gè)反應(yīng)使產(chǎn)物具有很大的比表面積。

KOH法活性炭主要應(yīng)用在超級(jí)電容器領(lǐng)域。以椰殼為主要原料所制得的活性炭比表面積可接近3000m2/g，比電容可超過(guò)200F/g，同時(shí)還可表現(xiàn)出非常優(yōu)良的儲(chǔ)氫和儲(chǔ)甲烷能力，在77K和100kP的情況下，儲(chǔ)氫量可達(dá)到2.94%，壓力提高至1MPa，儲(chǔ)氫量可達(dá)4.82%。中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)的KOH法活性炭在2MPa壓力和常溫條件下，儲(chǔ)甲烷可達(dá)15%。

2. 物理活化法

物理法通常又稱氣體活化法，是將已炭化處理的原料在800～1000℃的高溫下與水蒸氣、煙道氣(水蒸氣、CO2、N2等的混合氣)、CO2或空氣等活化氣體接觸，從而進(jìn)行活化反應(yīng)的過(guò)程。物理活化法的基本工藝過(guò)程如圖所示，主要包括炭化、活化、除雜、破碎(球磨)、精制等工藝，制備過(guò)程清潔，液相污染少。

在制備過(guò)程中，具有氧化性的高溫活化氣體無(wú)序碳原子及雜原子首先發(fā)生反應(yīng)，使原來(lái)封閉的孔打開，進(jìn)而基本微晶表面暴露，然后活化氣體與基本微晶表面上的碳原子繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，使孔隙不斷擴(kuò)大。一些不穩(wěn)定的炭因氣化生成CO、CO2、H2和其他碳化合物氣體，從而產(chǎn)生新的孔隙，同時(shí)焦油和未炭化物等也被除去，最終得到活性炭產(chǎn)品。活性炭發(fā)達(dá)的比表面積則源自中孔大孔孔容的增加，形成的大孔、中孔和微孔的相互連接貫通。近年來(lái)也開發(fā)出不需活化氣體的微波活化法和熱解活化法等等。由于物理法工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的廢氣以CO2和水蒸氣為主，對(duì)環(huán)境污染較小，而且最終得到的活性炭產(chǎn)品比表面積高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、應(yīng)用范圍廣，因此世界范圍內(nèi)的活炭生產(chǎn)廠家中70%以上都采用物理法生產(chǎn)活性炭。炭活化過(guò)程中產(chǎn)生大量的余熱，可滿足原料烘干、余熱鍋爐制高溫蒸汽、產(chǎn)品的洗滌烘干等所需熱能。

3. 物理-化學(xué)活化法

1）物理-化學(xué)一體化制備技術(shù)：物理-化學(xué)活化法顧名思義就是結(jié)合應(yīng)用物理活化和化學(xué)活化的方法，即炭先經(jīng)化學(xué)法處理，隨后再進(jìn)一步用物理法(水蒸氣或CO2)活化。國(guó)外研究人員通過(guò)H3PO4和CO2聯(lián)合活化法制得了比表面積高達(dá)3700m2/g的超級(jí)活性炭，具體步驟是在85℃下先用H3PO4浸泡木質(zhì)原料，經(jīng)450℃炭化4h后再用CO2活化。將物理法和化學(xué)法聯(lián)合，利用物理法的炭化尾氣為化學(xué)法生產(chǎn)供熱，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)燃煤消耗，同時(shí)得到物理法活性炭和化學(xué)法活性炭，該項(xiàng)技術(shù)已由中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所開發(fā)，并在福建元力活性炭股份有限公司建成年產(chǎn)8000噸的生產(chǎn)線，技術(shù)路線如圖所示。

主要參考資料

[1] 國(guó)冶金百科全書·選礦

[2] 實(shí)用精細(xì)化工辭典

[3] 活性炭制備技術(shù)及應(yīng)用研究綜述