活性炭：具有强大吸附和脱色能力的炭素材料，应用广泛

活性炭：具有强大吸附和脱色能力的炭素材料，应用广泛

概述

活性炭是一种比表面积大、吸附脱色能力强的碳材料，19世纪人们用它来对糖、酒、水进行脱色、除臭和净化。骨炭用于水过滤已有100多年的历史。第一次世界大战期间，活性炭被用来制作防毒面具。到20世纪90年代，它被广泛应用于污水处理、有机溶剂浓缩回收、空气净化等环境保护、黄金提取等领域。

有机物在600～700℃炭化后剩下的炭材料，具有活化或活化的能力。但这些炭材料牢固地吸附了一些气态烃类等物质，使其活化能力降低。必须将炭化温度提高到形成活性炭的临界温度以上。才能将这些吸附的气态物质分解分离。然后再用水蒸气、二氧化碳等进行活化，提高活化能力，达到工业应用水平。

活性炭之所以能起到吸附作用，是因为其内部有丰富的微孔，也就是有较大的比表面积，因此，活性炭生产的关键就是利用有机物在炭化活化过程中，产生尽可能多的微孔。

图1 活性炭纤维微孔

活性炭按其形状可分为粉状活性炭、颗粒活性炭和纤维状活性炭。活性炭的原料有：（1）植物：木材、锯末、果壳（包括椰子壳、山楂仁、稻壳等）、纤维素、木质素及纸浆残渣等。（2）动物：各种动物的骨头。（3）矿物：褐煤、泥炭、无烟煤及石油残渣等。（4）化学制品：聚丙烯腈、粘胶、酚醛等纤维。这些原料的共同点是在热处理过程中，都会发生固相炭化。

使用历史

据古埃及记载，早在公元前1550年，木炭就用于医药。中国长沙马王堆西汉墓（公元前190～110年）出土了一具保存完好的女尸，木棺四周和顶部填满木炭，厚30～40厘米，重5000余公斤，这是木炭吸附性能的一种应用。活性炭的工业化生产始于1900～1901年荷兰科学家（）获得化学药剂法和气体活化法专利。第一次世界大战期间，活性炭开始用于防毒面具，并提出了毛细管凝聚理论、吸附等温线及孔径分布理论、单层和多层吸附理论等著名的吸附理论。这些理论研究加深了对活性炭的认识，促进了活性炭生产的发展和应用领域的扩大。 到20世纪30年代，活性炭生产已成为一个工业，40年代后提出的活性炭孔隙分类法和以吸附势理论为基础的微孔填充理论均已投入实用。我国直到1932年才开始研究活性炭的生产工艺，20世纪50年代活性炭工业才逐渐形成。

激活原理

活化方法有气体活化和化学活化两种。气体活化又称物理法，利用一些氧化性气体如水蒸气、二氧化碳（或烟气）或氧气（或空气）等作为活化剂，在高温下活化炭质材料，制得活性炭。木材在炭化过程中，炭中常残留一些焦油类物质，活化过程中，活化剂能将残留的焦油等炭质化合物氧化分解，除去表面杂质，使原来堵塞的孔隙打开；活化剂还能侵蚀炭表面，形成新的孔隙，原有孔隙间的薄壁可能被烧掉，使孔隙扩大，从而形成十分发达的孔隙结构，大大增加了比表面积，提高了炭的吸附能力。活化所需的温度随活化剂种类不同而不同。 用水蒸气活化温度约为800-950℃，用烟气活化温度约为900-950℃，当用空气作为活化剂时，由于高温下碳和氧的反应非常剧烈，所以一般在600℃左右活化。

化学药剂活化法常用氯化锌作活化剂。氯化锌主要利用高温使植物原料中的纤维素膨胀、脱水、腐蚀、溶解，使之形成孔隙，达到活化的目的。氯化锌法一般可制得过渡孔较发达的活性炭，适用于糖色等大分子杂质的去除。用氯化锌法制作活性炭时，废锌比（无水氯化锌与绝干锯末的重量比）对活性炭的孔径大小影响很大。废锌比大时，可制得过渡孔较发达的活性炭；废锌比小时，可制得微孔较发达的活性炭。几乎所有的含碳物质，经过不同的工艺，都可制成活性炭。

制造方法

活性炭的制造原理有两种：物理法和化学法。物理法是将原料在密闭、无氧的环境中加热分解，氢气等物质会挥发离开炭，同时形成无数的微孔，即炭化过程。炭化温度最高可达1200℃，然后在弱氧环境中通入水蒸气或二氧化碳，使微孔进一步增多，即活化过程。活化温度一般为700-900℃，冷却后即得活性炭。化学法是将原料预先与ZnCl2、HCl、FeCl3、H3PO3、H2SO4等化学药品充分混合搅拌，然后在500-600℃等较低温度下炭化。为增加比表面积，炭化后在水蒸气或二氧化碳气氛中活化。

气体活化

制造活性炭的主要设备是活化炉。我国气体活化法常采用马鞍炉，也有采用多管炉、流化床炉和转炉等。美国也有采用多层炉等。马鞍炉(图1)由活化炉体、左右两个蓄热室和烟囱组成。活化炉体为方形炉体，用马鞍形和其他异形耐火砖砌成多条活化通道(图2)，分成左右两个半炉。原料炭装入炉顶原料槽内，靠重力沿活化通道缓慢下降，依次经过预热段、补充炭化段、活化段、冷却段，最后从底部卸出。炭料下降速度由卸料间隔的长短控制。 水蒸气活化剂送至左蓄热室下部，预热至1000～1100℃后，送至左半炉，经活化段与原料炭直接接触，使其活化。由于活化反应为吸热反应，炉温继续下降。活化后的混合气体送至右半炉，在炉子不同位置通入二次风，使可燃气体燃烧产生的热量使炉温升高，混合气体使右半炉内的木炭活化。高温烟气逸入右蓄热室，加热其中的格子砖，后排入烟囱。烟道、空气、水蒸气的闸阀每隔30分钟切换一次，此时水蒸气送至右蓄热室，以完全相反的方向流动。这样，左、右半炉可交替加热、冷却，并经常保持在活化所需的温度范围内。 正常活化温度为850-950℃，需注意保持活化炉正压操作，从活化炉出来的活化料经过除砂、破碎、筛分、酸洗、洗涤、脱水、干燥等后处理工序，即可得到活性炭成品。

图2 马鞍形炉结构示意图

1.预热段；2.补充炭化段；3.上部近烟道；4.活化段；5.上部连接烟道；6.中部烟道；7.燃烧室；8.蓄热室；9.格子砖层；10.上部远烟道；11.下部远烟道；12.冷却段；13.基础；14.进料口；15.进料槽

结构与性质

活性炭是无定形碳，虽然它不具有像金刚石和石墨那样的晶体结构，但从X射线衍射中发现，其结构中含有碱性晶体。碱性晶体是由几层碳原子排列成六边形网络结构，无规则地重叠而成。活性炭除了碱性晶体外，还有不形成平行层的单层网络平面和不规则的碳，如脂肪链结构中的碳、附在芳香结构边缘的碳等。活性炭的元素组成中，除了碳以外，还有以化学键形式存在的氢、氧等，以及以灰分形式存在的许多元素。活性炭表面还具有酸性和碱性表面氧化物和功能基团。

活性炭最重要的性能是吸附性能。活性炭是一种多孔材料，含有大量的孔隙，包括半径小于20埃的微孔、半径为20～1000埃的过渡孔和半径为1000～20000埃的大孔。由于各种活性炭的孔径大小不同，表面氧化物和功能基团的性质不同，导致吸附性能各异，具有选择性吸附的能力。例如，用于糖的活性炭具有较多的过渡孔，对大分子糖色杂质具有较好的吸附能力，而微孔较多的活性炭则适用于气相吸附和去除小分子杂质。 粉状活性炭的主要质量指标：0.15%亚甲蓝脱色力为8～14ml/0.1g活性炭，A法或B法焦糖色脱色力为90～100%，总铁含量不大于0.05～0.10%，氯化物含量不大于0.2～0.25%，pH值为3～9，灼烧残渣不大于3～8%，干燥减量不大于10%。详细分类定级指标，可参见中华人民共和国林业部《粉状活性炭标准LY 216-79》。

活性炭必须具有足够的机械强度才能承受使用过程中的磨损。适当降低活化温度、缩短活化时间，有利于提高机械强度，但伴随而来的是吸附能力的下降。为提高吸附能力，必须提高活化温度、延长活化时间，而这又导致强度的损失和产量的下降。因此，需根据使用要求综合考虑，以获得最佳的使用效果和最低的生产成本。使用过的活性炭易于再生重复利用，可避免对环境造成二次污染。

主要指标

活性炭的主要指标有：粒度、强度、水分、水容量、堆积密度、颗粒密度、真密度、比表面积、灰分等表征物理性能的指标和苯吸附率、四氯化碳活性等表征吸附性能的指标。

低温（400℃）活化的炭称为L型炭，高温（900℃）活化的炭称为H型炭。H型炭必须在惰性气氛中冷却，否则会变成L型炭。活性炭的吸附性能与氧化活化时气体的化学性质、浓度、活化温度、活化程度、活性炭中的无机组分及含量等因素有关，主要取决于活化气体的性质和活化温度。活性炭的含炭量、比表面积、灰分含量及其水悬浮液的pH值均随活化温度的升高而升高。活化温度越高，残留挥发性物质挥发越完全，微孔结构越发达，比表面积和吸附活性就越大。由于炭中挥发性物质被脱除，炭中灰分含量随之升高。 活性炭中的灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等组成。灰分的组成和含量对炭的吸附活性有很大影响。一般用盐酸或氢氟酸浸泡后再用水洗涤，可除去或降低活性炭的灰分。活性炭的灰分含量与制造活性炭的原料有关。活性炭中氢、氧的含量随活化温度的升高而降低。

活性炭对酸或碱的吸附能力与其水悬浮液的pH值有关。降低蒸馏水pH值的活性炭对碱的吸附能力更强；提高蒸馏水pH值的活性炭对酸的吸附能力更强。活性炭的机械强度与活性炭的原料和炭化温度有关。当炭化温度超过700℃时，其机械强度会显著增加。活性炭除了广泛应用于废水净化和分析化学外，在化学选矿中主要用于提取金和银。

应用

活性炭的应用范围很广，其应用几乎涉及到国民经济的各个领域。在气相吸附中用于除去废气中的有害气体，环境保护中的空气净化，溶剂回收，烟气脱硫，原子辐射防护和除去核裂变放射性物质及从原子能设施中逸出的放射性碘、氪、氙等。在液相吸附中用于食品工业中葡萄糖、麦芽糖、糖、乳制品、食用油、果汁饮料、酒类饮料、食品添加剂味精、柠檬酸、琼脂、果胶等食品的精制、净化；制药工业中各种药物、注射剂的净化、精制；化学工业中各种化学药物、工业用油等的精制、净化、回收；废水处理、水处理； 合成纤维工业、石油炼制等，以及用作催化剂、催化剂载体等。随着科学技术的发展，活性炭的品种和吸附能力将进一步增加和提高，如最近开发的高比表面积活性炭，比表面积可达100μm3/g，活性炭的应用范围将更加广泛。

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毒性

ADI 不做任何限制性规定（FAO/WHO，2001）。

ORAS（FDA，§240.361，§240.236，§240.401，2000）。

使用限制

FDA，§240.105l(2000)：葡萄酒为 0.9%，雪利酒为 0.25%，葡萄汁为 0.4%。

取粉末试样约3g，放入具玻璃塞的锥形瓶中，加5%稀盐酸10mL，煮沸30s，冷至室温。加碘试液（TS-124）100ml，塞紧，剧烈振摇30s。经滤纸过滤，弃去部分初滤液，取滤液50ml。另取碘试液10ml，加水至50ml，作为参比溶液。试样溶液颜色不应比参比溶液深，即表示试样有吸附作用。

取样并在空气中燃烧。一氧化碳和二氧化碳应蒸发，并留下灰烬。

加热至红热，缓慢燃烧，但不要有火焰。

食品添加剂最大允许使用量及最大允许残留标准

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添加剂中文名称

允许使用该添加剂的食品中文名称

加法函数

最大允许使用量（g/kg）

最大允许残留量（g/kg）

活性炭

食物

食品工业加工助剂

一般情况下，应在制成最终产品之前将其除去，除非食品中规定有残留量。

化学性质

黑色多孔无臭物质，颗粒形状可为圆柱形、粗颗粒至细粉颗粒，粒径一般为1~6mm，长度约为直径的0.7~4倍。或为粒径为6~120目的不规则颗粒。无臭、无味，不溶于水及有机溶剂。堆积密度约为0.3~0.6g/ml，微孔容积约为0.6~0.8ml/g，比表面积约为500~/g。对有机高分子物质有较强的吸附力，因此对液相中的微量成分、色素、臭味物质等有较高的去除能力。最适宜pH值为4.0~4.8，最适温度为60~70℃。

使用

食品生产中的脱色剂；脱臭剂；消臭剂；净化剂。广泛应用于蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、油、果汁、酒等饮料的脱色、净化，去除胶体物质，处理水质。

GB 2760-96将其列为加工助剂，用量根据生产需要确定，一般维持时间为30分钟。

使用

用于变压吸附分离空气生产氮气

使用

主要用于医药行业中西原料及食品添加剂的脱色、净化、精制

使用

适用于酿造行业、食用油、食品添加剂生产中的脱色、脱臭，对焦糖、糖蜜等高分子色素有特殊的脱色能力。

使用

可用于脱硫、水净化、空气净化、溶剂回收、吸附及作为催化剂载体等。

使用

用于脱除煤气、焦炉煤气、天然气、二氧化碳、变换气中的硫化氢

使用

用于空气过滤、净化、去除有害气体等。

使用

主要用于食品、饮料、药品及高纯饮用水的除臭、脱氯及液体脱色，也在化工行业的溶剂回收、气体分离等方面有广泛的应用。

使用

广泛应用于化工、印染、电子、焦化、环保等行业的工业用水、生活用水的预处理及工业废水的深​​度净化。

使用

广泛应用于甲苯、二甲苯、乙醚、乙醇、丙酮、汽油、三氯丙烷、四氯化碳等有机溶剂的回收

使用

用于吸附气态、液态有害物质，除去各种有机蒸气，过滤空气中的有害气体、异味等。

使用

有注射用活性炭、气相吸附用活性炭、溶剂回收用活性炭等，可用于脱硫、水净化、空气净化、溶剂回收、吸附、催化及作为催化剂载体等。

生产方法

可炭化活化的有机物有木屑、泥炭、褐煤、木炭纤维残渣、动物骨头、果壳、石油焦等，在含有或不含有无机盐的活化气体如水蒸气或二氧化碳中，在高温下进行炭化活化。也可在高温下用磷酸或氯化锌等化学活化剂进行炭化，然后用水洗去化学活化剂而制得。

类别

自燃物品

刺激数据

活性炭粉尘、刺激眼睛和粘膜的颗粒

爆炸物的危险特性

其粉尘遇热、明火或氧化物会燃烧并爆炸。

可燃性危险特性

遇热、明火、氧化剂燃烧

储运特性

库房低温、通风、干燥；防火、防高温，与氧化剂分开存放

灭火剂

水、二氧化碳、泡沫、干粉