活性炭，我们真的了解吗

耿雁冰

在小学科学、初中化学中，都有关于活性炭的内容。早在约公元前3750年，木炭就曾经在古埃及现身；1900年，英国人开始用炭化植物的方法制造活性炭；第一次世界大战时，活性炭已经在防毒面具里发挥作用了；1930年，在美国费城，活性炭已经成为吸附池除臭领域的No.1。

通过九年级化学中“水的净化”“金刚石、石墨、C60”等内容的学习，同学们对活性炭的了解更加深入了，不但知道活性炭具有吸附性，而且听说它能吸附很多种物质，还能重复使用。这些说法是不是真的？今天，我们一起来好好了解一下。

人们对活性炭的学术定义一般是这样的：活性炭是以煤炭、木料或沥青等含碳元素的物质为原材料，经炭化、活化等步骤加工制备而成，具有孔隙发达、比表面积充足和表面化学基团丰富的特点，并且拥有强大的特异性吸附能力的炭材料的统称。从定义就可以知道，制备活性炭的材料来源可不只有木材。

煤质活性炭：煤炭经历炭化、冷却、活化、洗涤四大步骤，即可制得煤质活性炭，其中炭化和活化最为重要。我国的煤炭储备居世界前列，为提高煤炭的经济效益，除了发电，有相当一部分的煤炭被制成了活性炭。因此，有2/3的活性炭是煤质活性炭。

木质活性炭：顾名思义，木质活性炭是以优质的薪材、木屑（块）、果壳等为原材料进行加工制备而成的。这类活性炭一般着火点高、吸附容量大、过滤快，因此在生活中反而最为常见。

合成材料活性炭：它的种类最多，而且还有两个与众不同的家庭成员，分别是布类合成材料活性炭——炭纤维布和毡类合成材料活性炭——炭纤维毡。需要注意的是，这两种活性炭经常被人们认成是碳纤维家族的成员，其实它们属于活性炭纤维。虽然碳纤维和活性炭纤维都属于碳素纤维，但是它们还是有区别的。前者是以乱层石墨结构形式存在的一种纤维状碳材料，主要被制作成复合材料，如碳纤维增强塑料。而后者属于微晶碳系，是布满微孔的纤维状材料，对有机气体具有强大的吸附能力，在制作工艺上经历了活化这一步骤，而碳纤维并没有。

其他类型活性炭：指除以上3类活性炭外，由煤沥青、石油焦等原材料制备而成的活性炭。相比于其他3类活性炭，它的产量不多，成分也不常见，但是它的本领依旧不小，因具有炭化收率高、灰分含量低等优点而受到广泛关注。

活性炭具有很强的吸附性，无论是新房吸收甲醛、新车除味还是净水，都能见到它的身影。它的使用范围到底有多广？其实，根据制备活性炭的原材料的不同，使用范围也是有区别的。

煤质活性炭在工业上常用作液相吸附类活性炭、气相吸附类活性炭和高要求领域活性炭等，比如我们熟知的自来水的净化、蔗糖的脱色、除味、除杂、废气净化和贵重金属冶炼等。但是，煤质活性炭最大的用途还是做催化剂及催化剂载体。

相对来说，木质活性炭在生活中的用途更广，可用作新房吸收甲醛、新车除味、制作防毒面具等。另外，在印刷厂、污水处理厂等地方，木质活性炭可对污水进行精处理，降低污水的化学需氧量，使其达到排放标准。木质活性炭从溶液中吸附贵金属的特性也很好，远优于其他活性炭，且机械强度大，在炭浆法等提金工艺中大有用武之地。

炭纤维布与某些胶类成员在一起时，还可形成碳纤维复合材料。它的密度小，轻便柔韧，不怕酸、不怕碱，储存时间长，能够重复使用，因此是工程建设的得力助手。而炭纤维毡简直就是一个“贪吃的大胖子”，具有吸附性强、容量大的特点，而且它很少“挑食”，广谱性好，尤其对有机气体分子的吸附量是粒状活性炭的几倍甚至几十倍。但是，你千万别以为它只能吸附污染物，它还被用于制作飞机结构外壳、电磁屏蔽材料、航空器材。它的强度大、刚度大、质量又轻，还耐疲劳、抗腐蚀，在很多极端环境或精细场合中都能发挥作用。

在其他类型活性炭中，有一种沥青基微球活性炭的本领可不小。由于它的杂质含量低，不会对血液造成二次污染，孔径分布易控制，能保证对杂质的充分吸附，在处理吸附物时也可以快速地把杂质去除，所以成为用来净化载人航天器内的空气、吸附病人血液中的代谢废物及有害杂质的高效吸附料。

所谓人无完人，炭也无完炭。由于沥青基微球活性炭的孔径普遍较小，因而在某种程度上限制了它向更多领域扩展。比如，其他3类活性炭都能作为催化剂载体、液相大分子吸附材料等，它却不能在这些方面一展拳脚。

在化学学习过程中，我们一般说结构决定性质。由于活性炭具有疏松多孔的结构，就导致了它具有强大的吸附性。那么，什么是疏松多孔的结构呢？如何描述其吸附能力？

活性炭在结构上有两大特点：一是内部与表面孔隙发达。活性炭的孔隙平均直径约为1.5nm，而常见的有害气体分子直径在0.5 nm左右（如甲醛0.45nm、二甲苯0.62nm），因此活性炭内部的微孔妥妥地能将这些有害物质吸附起来。二是比表面积大。活性炭的比表面积，即1克活性炭粒子的表面积与所有孔隙面积的总和，一般活性炭为500～1 500m2/g，一些超级活性炭可达3 000m2/g（约为足球场的面积）。孔隙结构越发达、比表面积越大，其吸附功能就越强。

这些疏松多孔的结构又是怎么形成的呢？这就涉及一个专业名词：活化。活性炭的制备包括炭化和活化两个过程。炭化是将原料隔绝空气加热，使其中的非碳元素以气体形式逸出。活化是用不同的活化剂和炭化后的原料进行反应，通过通孔、开孔和增加新孔等过程，使材料内部产生更多的孔隙。活化过程是活性炭制备的控制步骤，要想获得多孔隙、高比表面积的活性炭材料，必须注重对活化过程的控制。

传统的活性炭活化方法有物理法、化学法和物理—化学法等。物理活化主要是在高温下，利用二氧化碳、水蒸气等活化剂与之前炭化好的原料内部的碳原子反应，通过开孔、扩孔和创造新孔的途径形成丰富的微孔。化学活化是在常温或高温下，利用氯化锌、氢氧化钾及磷酸等化学试剂对原料进行浸渍，同时完成炭化和活化。经过活化后，活性炭就具有了我们平常所说的疏松多孔的结构，也就具有了强大的吸附性。

日常生活中，用过的活性炭吸附包能重復利用吗？有人说，在盐水里泡一下，再经过暴晒就行了。对不对呢？这里又涉及一个专业名词：脱附。

脱附是吸附的逆过程，可以让已被吸附的物质从吸附剂中析出，使吸附剂重新获得吸附能力。脱附可是一门学问。在生活中，人们最常接触到的可能就是“晒一晒”，但是，这其实并不是真正的活性炭脱附过程。在吸附有害物质的过程中，活性炭也吸附了水分，阳光的暴晒只是让活性炭脱附掉水分，所吸附的有害物质还是留存在孔隙内。因此，这种方法只能用几次，而且效果会逐渐变差。真正的脱附方法有升温脱附、减压脱附、冲洗脱附、置换脱附、磁化脱附等，其原理要么是通过降低活性炭与有害物质之间的吸附度，把杂质逼出去；要么是通过添加其他物质，竞争性地结合有害物质或活性炭本身，从而把杂质挤出去。

说了这么多，你对活性炭的了解是不是更深入一些了？

（责任编辑：白玉磊）