活性炭

活性炭（Activated carbon，AC）有两种应用形式：

粉末炭（Powdered activated carbon，PAC）：粒径为10—50mm，直接投入水体，不可回收；

粒状炭（Granular activated carbon，GAC）：活性炭滤池，可以再生。

活性炭用量的70%-80%在净水厂，粉末活性炭主要用于嗅味控制；粒状炭目前主要作为一种生物载体，与臭氧联用，可以有效控制水中的难生物降解有机物。

产品外观：黑色多孔物质，化学稳定性好，可耐强酸、强碱，能经受水浸及高温。

活性炭的制备：

原料：含有碳的任何物质，原料中灰分含量越少越好。

工艺：

（1）炭化（热解），在隔绝空气条件下对原料加热，一般在600℃以下。作用有二：a）是使原材料分解放出水汽、CO、CO2和H2等气体。B）使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。

（2）活化，在有氧化剂的条件下，对炭化后的材料加热，产生活性炭产品。氧化剂有蒸汽或CO2（氧化温度800~900℃）和空气（600℃以下）。

活性炭的性质：

（1）物理性质:活性炭主要特征是比表面积大和发达的孔隙的构造。单位质量活性炭所具有的表面积称为比表面积，活性炭由于其独特的制造工艺而拥有巨大的比表面积，每1g炭的表面积可达1000m2。活性炭的孔隙可以分为三类，即微孔、中孔和大孔，不同孔径的孔隙有利于吸附不同直径分子。

其他的物理性质：

粒度——影响吸附速度、回收利用等

密度——湿密度决定反冲洗参数。床密度决定吸附床尺寸和活性炭用量。

强度——影响磨损

灰分——优质活性炭的灰分比较低，一般在5%~8%。

（2）化学性质：化学性质主要指活性炭的表面性质,活性炭表面有复杂的含氧官能团以及碳氢化合物，包括羧基、酚羟基、醚类、酯以及环状过氧化物。根据相似相溶原理，具有弱极性、中性及非极性表面的活性炭对非极性的分子吸附能力强，对极性分子以及离子的吸附性能比较弱。根据活化条件（温度、氧化剂）的不同，活性炭表面氧化物可以分成酸性和碱性两大类，影响了活性炭对不同物质的吸附性能。

（3）吸附性质：表示活性炭吸附性质的参数有：

1）碘值：在一定条件下活性炭吸附碘的量，一般表示活性炭对小分子物质的吸附性能；

2）糖蜜值：表示对大分子物质的吸附性能。

3）亚甲兰值：用来鉴定活性炭对半径2~100nm吸附质分子的吸附能力。

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活性炭分类：

活性炭有多种分类方法，常见的分类方法及称谓简述如下：

1、按外观形状进行分类。一般分为五种。

    （1）粉状活性炭。

    一般指粒径小于150μm（即0.15mm，对应的中国标准筛目为100目）的活性炭产品，在我国，有时将粒径小于0.3mm（60目）的产品亦划入粉状活性炭范畴。

    （2）颗粒活性炭。

    粒度分布＞100目（我国的企业多采用＞60目）的活性炭，根据外形的不同，颗粒活性炭又可分为圆柱状炭、破碎状炭（分压块/压片破碎炭和直接破碎炭两类）、球形炭和中空微球炭几种。

    （3）纤维状活性炭，又称为活性炭纤维。

    以纤维状含碳物质制成，又分为丝状、布状及毡状等几种。

    （4）蜂巢状活性炭，或称蜂窝活性炭。

    （5）活性炭成型物，又称为复合型活性炭。

    选择纸、无纺布、海绵、甚至蜂窝陶瓷等作基材，将活性炭粘附其上制成的各种形状、具特殊功能的复合型吸附材料。

2、按制造原料分类。一般有六种。

    （1）煤质活性炭，又称煤基活性炭。

    系用各种原煤通过不同工艺制造的一大类活性炭产品的统称。煤质活性炭根据制造工艺的不同又可分为成型炭和原煤直接破碎炭两类。前者又可进一步细分为湿法成型炭（如加焦油、造纸黑液、淀粉糊等液态粘合剂制造的柱状炭、球炭、蜂窝炭等）和干法成型炭（如加入固体状沥青、淀粉、树脂粉等作粘合剂采用对辊成型工艺制成的压块、压片、压丸破碎炭或具规则外形的压丸状活性炭）。一般来说，成型炭可采用多种原煤混合来调整最终产品的孔隙分布特性，从而获得一些特殊的应用性能，而原煤直接破碎炭的孔隙分布特征80%以上已由原料决定了，故性能和用途较单一。

    （2）木质活性炭。

    系用各种硬质木材、农作物废料、以及其它含木质纤维素的工农业废料为原料，通过化学法、物理法或物理–化学结合法制成的活性炭。

    （3）果壳/果核类活性炭。

    如椰壳炭、杏核炭、桃核炭等。

    （4）石油系活性炭。

    用石油沥青、石油焦等作原料，制成的活性炭产品。

    （5）树脂类活性炭。

    用酚醛树脂、废的离子交换树脂等为原料，经特殊工艺制得的活性炭产品，有时将纤维炭亦归入此一类型中。

    （6）其它的小品种活性炭产品。

    包括用动物血液制成的血炭，用动物骨骼制成的骨炭（但骨炭中碳元素非常少，主要成分为羟基磷酸钙），用各种原料制成的分子筛活性炭，用强碱与含碳原料制造的高表面积活性炭，采用有机高分子溶液经特殊工艺制成的铸型法活性炭，碳气凝胶活性炭等等。其中有些是生产量和用量很小，有些还处于实验室研究阶段，故一并归入小品种活性炭产品范畴。

3、按制造方法进行分类。一般分为两种。

    （1）化学药品活化法活性炭。

    多采用氯化锌、磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠等作活化剂。

    （2）气体活化法活性炭。

    多数采用水蒸汽活化法，有时采用二氧化碳和空气活化。大生产中，实际上是这三种活化气体的混合活化过程。

4、按用途分类。一般分为三种。

    （1）气相吸附活性炭。

    可用于排气处理、空气净化、溶剂回收、气体分离、脱臭、脱硫脱硝、工业原料气体精制、气相色谱填充剂、空气采样器、保鲜、臭氧脱除、香烟滤咀、天然气吸附贮存、军用和民用防毒面具等。

    （2）液相吸附活性炭。

    自来水处理、纯净水制造、工业及生活污水的深度处理、脱色精制、血液净化、黄金回收、双层电容器电极用、药用炭等。

    （3）触媒（催化剂）用活性炭。

    既可直接用作某此工业过程的催化剂（如光气合成、醋酸乙烯的合成等），更多的时候活性炭是用作催化剂的载体（如担载贵金属铂、铑、钯、钌、金等制成的铂炭、钯炭催化剂等）。

活性炭的电镜分析照片：

活性炭吸附的应用:

活性炭吸附是去除水的臭味、天然和合成溶解有机物、微污染物质等的有效措施。大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等能够牢固吸附在活性炭表面上或孔隙中，并对腐植质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。实践证明，活性炭可降低总有机碳TOC，总有机卤化物TOX和总三卤甲烷TTHM等指标。

1）臭和味的去除，污染严重的水体中存在竞争吸附的问题；

2）TOC的去除，一般可以达到20%~30%；

3）消毒副产物前驱物的去除，混凝、吸附配合，与有机物分子量分布有关；

4）挥发性有机物的去除，可以用粒状活性炭滤池；

5）人工合成有机物的去除。

活性炭的再生方法：

热再生法、化学药剂再生法、化学氧化、生物、湿式氧化、超声波再生法等。常用的是热再生法。

热再生过程：

a. 干燥，温度一般控制在200℃，同时去除挥发性物质；

b. 升温至200~500℃，大部分挥发性有机物被去除，一部分不稳定的物质转化为挥发性组分；

c. 再升温，不挥发性有机物炭化；

d. 最后，蒸汽和热解的气体产物从炭粒的孔隙中排出

再生时活性炭有损耗，原因是部份活性炭在再生过程中被氧化，也有一部份是运输中的损耗。在现场就地再生时，损耗约5％，集中再生时损耗约为10%～15%。