活性炭

活性炭（Activated carbon，AC）有兩種應用形式：

粉末炭（Powdered activated carbon，PAC）：粒徑為10—50mm，直接投入水體，不可回收；

粒狀炭（Granular activated carbon，GAC）：活性炭濾池，可以再生。

活性炭用量的70%-80%在凈水廠，粉末活性炭主要用于嗅味控制；粒狀炭目前主要作為一種生物載體，與臭氧聯用，可以有效控制水中的難生物降解有機物。

產品外觀：黑色多孔物質，化學穩定性好，可耐強酸、強堿，能經受水浸及高溫。

活性炭的制備：

原料：含有碳的任何物質，原料中灰分含量越少越好。

工藝：

（1）炭化（熱解），在隔絕空氣條件下對原料加熱，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等氣體。B）使原材料分解成碎片，并重新集合成穩定的結構。

（2）活化，在有氧化劑的條件下，對炭化后的材料加熱，產生活性炭產品。氧化劑有蒸汽或CO2（氧化溫度800~900℃）和空氣（600℃以下）。

活性炭的性質：

（1）物理性質:活性炭主要特征是比表面積大和發達的孔隙的構造。單位質量活性炭所具有的表面積稱為比表面積，活性炭由于其獨特的制造工藝而擁有巨大的比表面積，每1g炭的表面積可達1000m2。活性炭的孔隙可以分為三類，即微孔、中孔和大孔，不同孔徑的孔隙有利于吸附不同直徑分子。

其他的物理性質：

粒度——影響吸附速度、回收利用等

密度——濕密度決定反沖洗參數。床密度決定吸附床尺寸和活性炭用量。

強度——影響磨損

灰分——優質活性炭的灰分比較低，一般在5%~8%。

（2）化學性質：化學性質主要指活性炭的表面性質,活性炭表面有復雜的含氧官能團以及碳氫化合物，包括羧基、酚羥基、醚類、酯以及環狀過氧化物。根據相似相溶原理，具有弱極性、中性及非極性表面的活性炭對非極性的分子吸附能力強，對極性分子以及離子的吸附性能比較弱。根據活化條件（溫度、氧化劑）的不同，活性炭表面氧化物可以分成酸性和堿性兩大類，影響了活性炭對不同物質的吸附性能。

（3）吸附性質：表示活性炭吸附性質的參數有：

1）碘值：在一定條件下活性炭吸附碘的量，一般表示活性炭對小分子物質的吸附性能；

2）糖蜜值：表示對大分子物質的吸附性能。

3）亞甲蘭值：用來鑒定活性炭對半徑2~100nm吸附質分子的吸附能力。

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活性炭分類：

活性炭有多種分類方法，常見的分類方法及稱謂簡述如下：

1、按外觀形狀進行分類。一般分為五種。

    （1）粉狀活性炭。

    一般指粒徑小于150μm（即0.15mm，對應的中國標準篩目為100目）的活性炭產品，在我國，有時將粒徑小于0.3mm（60目）的產品亦劃入粉狀活性炭范疇。

    （2）顆粒活性炭。

    粒度分布＞100目（我國的企業多采用＞60目）的活性炭，根據外形的不同，顆粒活性炭又可分為圓柱狀炭、破碎狀炭（分壓塊/壓片破碎炭和直接破碎炭兩類）、球形炭和中空微球炭幾種。

    （3）纖維狀活性炭，又稱為活性炭纖維。

    以纖維狀含碳物質制成，又分為絲狀、布狀及氈狀等幾種。

    （4）蜂巢狀活性炭，或稱蜂窩活性炭。

    （5）活性炭成型物，又稱為復合型活性炭。

    選擇紙、無紡布、海綿、甚至蜂窩陶瓷等作基材，將活性炭粘附其上制成的各種形狀、具特殊功能的復合型吸附材料。

2、按制造原料分類。一般有六種。

    （1）煤質活性炭，又稱煤基活性炭。

    系用各種原煤通過不同工藝制造的一大類活性炭產品的統稱。煤質活性炭根據制造工藝的不同又可分為成型炭和原煤直接破碎炭兩類。前者又可進一步細分為濕法成型炭（如加焦油、造紙黑液、淀粉糊等液態粘合劑制造的柱狀炭、球炭、蜂窩炭等）和干法成型炭（如加入固體狀瀝青、淀粉、樹脂粉等作粘合劑采用對輥成型工藝制成的壓塊、壓片、壓丸破碎炭或具規則外形的壓丸狀活性炭）。一般來說，成型炭可采用多種原煤混合來調整最終產品的孔隙分布特性，從而獲得一些特殊的應用性能，而原煤直接破碎炭的孔隙分布特征80%以上已由原料決定了，故性能和用途較單一。

    （2）木質活性炭。

    系用各種硬質木材、農作物廢料、以及其它含木質纖維素的工農業廢料為原料，通過化學法、物理法或物理–化學結合法制成的活性炭。

    （3）果殼/果核類活性炭。

    如椰殼炭、杏核炭、桃核炭等。

    （4）石油系活性炭。

    用石油瀝青、石油焦等作原料，制成的活性炭產品。

    （5）樹脂類活性炭。

    用酚醛樹脂、廢的離子交換樹脂等為原料，經特殊工藝制得的活性炭產品，有時將纖維炭亦歸入此一類型中。

    （6）其它的小品種活性炭產品。

    包括用動物血液制成的血炭，用動物骨骼制成的骨炭（但骨炭中碳元素非常少，主要成分為羥基磷酸鈣），用各種原料制成的分子篩活性炭，用強堿與含碳原料制造的高表面積活性炭，采用有機高分子溶液經特殊工藝制成的鑄型法活性炭，碳氣凝膠活性炭等等。其中有些是生產量和用量很小，有些還處于實驗室研究階段，故一并歸入小品種活性炭產品范疇。

3、按制造方法進行分類。一般分為兩種。

    （1）化學藥品活化法活性炭。

    多采用氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉等作活化劑。

    （2）氣體活化法活性炭。

    多數采用水蒸汽活化法，有時采用二氧化碳和空氣活化。大生產中，實際上是這三種活化氣體的混合活化過程。

4、按用途分類。一般分為三種。

    （1）氣相吸附活性炭。

    可用于排氣處理、空氣凈化、溶劑回收、氣體分離、脫臭、脫硫脫硝、工業原料氣體精制、氣相色譜填充劑、空氣采樣器、保鮮、臭氧脫除、香煙濾咀、天然氣吸附貯存、軍用和民用防毒面具等。

    （2）液相吸附活性炭。

    自來水處理、純凈水制造、工業及生活污水的深度處理、脫色精制、血液凈化、黃金回收、雙層電容器電極用、藥用炭等。

    （3）觸媒（催化劑）用活性炭。

    既可直接用作某此工業過程的催化劑（如光氣合成、醋酸乙烯的合成等），更多的時候活性炭是用作催化劑的載體（如擔載貴金屬鉑、銠、鈀、釕、金等制成的鉑炭、鈀炭催化劑等）。

活性炭的電鏡分析照片：

活性炭吸附的應用:

活性炭吸附是去除水的臭味、天然和合成溶解有機物、微污染物質等的有效措施。大部分比較大的有機物分子、芳香族化合物、鹵代烴等能夠牢固吸附在活性炭表面上或孔隙中，并對腐植質、合成有機物和低分子量有機物有明顯的去除效果。實踐證明，活性炭可降低總有機碳TOC，總有機鹵化物TOX和總三鹵甲烷TTHM等指標。

1）臭和味的去除，污染嚴重的水體中存在競爭吸附的問題；

2）TOC的去除，一般可以達到20%~30%；

3）消毒副產物前驅物的去除，混凝、吸附配合，與有機物分子量分布有關；

4）揮發性有機物的去除，可以用粒狀活性炭濾池；

5）人工合成有機物的去除。

活性炭的再生方法：

熱再生法、化學藥劑再生法、化學氧化、生物、濕式氧化、超聲波再生法等。常用的是熱再生法。

熱再生過程：

a. 干燥，溫度一般控制在200℃，同時去除揮發性物質；

b. 升溫至200~500℃，大部分揮發性有機物被去除，一部分不穩定的物質轉化為揮發性組分；

c. 再升溫，不揮發性有機物炭化；

d. 最后，蒸汽和熱解的氣體產物從炭粒的孔隙中排出

再生時活性炭有損耗，原因是部份活性炭在再生過程中被氧化，也有一部份是運輸中的損耗。在現場就地再生時，損耗約5％，集中再生時損耗約為10%～15%。