活性炭
活性炭（carbon）是一種非常優(yōu)良的吸附劑，它是利用木炭、各種果殼和優(yōu)質(zhì)煤等作為原料，通過(guò)物理和化學(xué)方法對原料進(jìn)行破碎、過(guò)篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加工制造而成?；钚蕴柯暶h揚是從第一次世界大戰開(kāi)始。1915年第一次世界大戰期間，德軍向英法聯(lián)軍使用了可怕的新武器——化學(xué)毒氣氯氣18萬(wàn)kg。英法士兵當場(chǎng)死了五千多人，受傷的有一萬(wàn)五千多人。有“矛”必然就會(huì )發(fā)明“盾”，有化學(xué)毒氣必然就會(huì )發(fā)明防毒武器。在兩個(gè)星期后，軍事科學(xué)家就發(fā)明了防護氯氣毒害的武器，他們給前線(xiàn)每個(gè)士兵發(fā)了一種特殊的口罩，這種口罩里有用硫代硫酸鈉和碳酸鈉溶液浸過(guò)的棉花。這兩種藥品都有除氯的功能，能起到防護的作用。但是如果敵方改用第二種毒氣，這種口罩就無(wú)能為力了。事實(shí)也是如此，此后不到一年，雙方已經(jīng)用過(guò)十幾種不同的化學(xué)毒氣，包括現今人們所熟知的芥子毒及氰氫化合物。所以必須找到一種能使任何毒氣都會(huì )失去毒性的物質(zhì)才好。這種萬(wàn)能的解毒劑在1915年末就被科學(xué)家找到了，它就是活性炭。在1917年，交戰雙方的防毒面具里都裝上了活性炭。毒氣對交戰士兵的危害程度就大大降低了。
隨著(zhù)全球環(huán)境污染的加劇，活性炭又從戰爭進(jìn)入普通百姓的生活中，它廣泛應用于飲用水凈化，污水處理廠(chǎng)等方面?；钚蕴坑捎诰哂形?、催化和一定的化學(xué)反應性能，同時(shí)又具有物理、化學(xué)的相對穩定性，廣泛應用于幾乎所有國民經(jīng)濟部門(mén)和人們的日常生活中。
(1) 活性炭種類(lèi)與功能
由于原料來(lái)源、制造方法、外觀(guān)形狀,應用場(chǎng)合不同，活性炭品種不下千種。
① 按原料來(lái)源
木質(zhì)活性炭：木質(zhì)活性炭是指由木材、農作物秸稈、竹材及其加工廢棄物和果殼為原料制造的活性炭產(chǎn)品，可分為木質(zhì)活性炭（如椰殼活性炭、杏殼活性炭、木質(zhì)粉碳等）。
礦物質(zhì)原料活性炭：這一類(lèi)活性炭是指由各種煤和石油及其加工產(chǎn)物（包括煤焦油、煤瀝青、煤半焦、石油烴類(lèi)、石油渣油、石油瀝青、石油焦等）為原料制成的活性炭。
其他原料的活性炭：為了科學(xué)研究和特殊用途的需要以及擴大活性炭原料來(lái)源，也可以用合成樹(shù)脂、廢橡膠、廢塑料、生活和工業(yè)垃圾中的有機物等為原料制造活性炭?，F在還有用金屬碳化物為原料，將金屬除去而制造中孔特別發(fā)達的活性炭。
再生活性炭：為了充分利用資源，許多在不同場(chǎng)合對已經(jīng)使用過(guò)且已失去吸附性能的活性炭經(jīng)過(guò)不同方法的加工又恢復了全部或部分吸附性能，進(jìn)行重復使用。使失去吸附性能的活性炭恢復吸附活性的過(guò)程叫活性炭再生，經(jīng)過(guò)再生過(guò)程加工的活性炭叫再生活性炭。再生方法有熱再生、化學(xué)洗脫、溶劑萃取再生、生物再生等。
② 按制造方法
可分為化學(xué)法活性炭（化學(xué)炭）：將含碳原料與某些化學(xué)藥品混合后進(jìn)行熱處理，制取活性炭的方法叫化學(xué)法。用化學(xué)法生產(chǎn)的活性炭又稱(chēng)為化學(xué)法活性炭或化學(xué)炭?？梢宰鳛榛瘜W(xué)法的化學(xué)藥品又稱(chēng)作活化劑，活化劑有氯化鋅、氯化鈣、碳酸鉀、磷酸、磷酸二氫鉀、硫化鉀、硫酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硼酸等，許多酸、堿、鹽都可以用作活化劑，主要從活性炭的性能和經(jīng)濟性來(lái)考慮采用何種活化劑。
化學(xué)制法制造活性炭由于加入了化學(xué)品在制造過(guò)程中應當極其重視環(huán)境保護以及產(chǎn)品中可能存在微量非原料帶入的元素的影響問(wèn)題。
物理法活性炭：以炭為原料用水蒸氣、二氧化碳、空氣（主要是氧）或它們的混合物（煙道氣）為活化介質(zhì)，在高溫（600~1000℃）進(jìn)行活化制取活性炭的方法叫物理法。物理法制的活性炭叫物理法活性炭，也稱(chēng)作物理炭。
一般說(shuō)來(lái)物理炭的微孔（孔直徑或孔寬小于1.5納米的空隙）發(fā)達，主要用于氣相吸附場(chǎng)合或小分子液相吸附場(chǎng)合。
化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法活性炭：在了解化學(xué)炭和物理炭的同時(shí)，還應當提及化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法活性炭。選用不同的原料和采用不同的化學(xué)法與物理法的組合可以對活性炭的孔隙結構進(jìn)行調控，從而制取許多性能不同的活性炭。這種化學(xué)—物理法或物理—化學(xué)法是許多年來(lái)及今后相當長(cháng)時(shí)期內世界各國活性炭工作者非常關(guān)注的活性炭制取方法。
③ 按照外觀(guān)形狀
粉狀活性炭（PAC）：一般將90% 以上通過(guò)80目標準篩或粒度小于0.175mm的活性炭通稱(chēng)粉狀活性炭或粉狀炭。粉狀炭在使用時(shí)有吸附速度較快，吸附能力使用充分等優(yōu)點(diǎn)，但需專(zhuān)有的分離方法，隨著(zhù)分離技術(shù)的進(jìn)步和某些應用要求的出現，粉狀炭的粒度有越來(lái)越細化的傾向，有的場(chǎng)合已達到微米甚至納米級。
顆?；钚蕴浚℅AC）：通稱(chēng)把粒度大于0.175mm的活性炭稱(chēng)作顆?；钚蕴?。顆?；钚蕴坑址譃橄铝袔追N：?不定型顆?；钚蕴?，一般由顆粒狀原料經(jīng)炭化、活化，然后破碎篩分至需要顆粒度制成，也可以用粉狀活性炭加入適當的粘結劑經(jīng)適當加工而成。?圓柱形活性炭，又稱(chēng)柱狀炭，一般由粉狀原料和粘結劑經(jīng)混捏、擠壓成型再經(jīng)炭化、活化等工序制成，也可以用粉狀活性炭加粘結劑擠壓成型。柱狀炭又有實(shí)心和中空之分，中空柱狀炭是柱狀炭?jì)扔腥嗽斓囊粋€(gè)或若干個(gè)有規則的小孔。?球形活性炭，球形活性炭形狀為圓球形的活性炭，它的制取方法與柱狀炭類(lèi)似，但有成球過(guò)程。也可以用液態(tài)含碳原料經(jīng)噴霧造粒、氧化、炭化、活化制成，還有可以用粉狀活性炭加粘結劑成球加工而成。球形活性炭也有實(shí)心和空心球形活性炭之分。
活性炭纖維（ACF）：活性炭纖維是新一代高效活性吸附材料和環(huán)保功能材料，是活性炭的更新?lián)Q代產(chǎn)品。較高的技術(shù)含量和較高的產(chǎn)品附加值是其主要特征，可使吸附裝置小型化，吸附層薄層化，吸附漏損小，效率高，節能經(jīng)濟，可以完成顆?；钚蕴繜o(wú)法實(shí)現的工作。
燒結活性炭：燒結活性炭濾芯是80~100目的炭粉通過(guò)磨具高溫定型生產(chǎn)。燒結成10"20"30"40"等規格活性炭濾芯，并能夠為用戶(hù)定做特殊尺寸的濾芯。燒結活性炭濾芯不僅用于吸附水中的異味及溶解于水中的余氯，而且能夠過(guò)濾水中的雜質(zhì)。
壓縮活性炭：壓縮活性炭濾芯是采用30~60目無(wú)毒，無(wú)味高效值的植物活性炭或煤質(zhì)活性炭做主體，再輔以食用級材料黏合，經(jīng)特殊工藝加工成型，加上外層PP織布包覆。過(guò)濾孔徑為5~10微米，它集吸附、過(guò)濾、截獲催化作用于一體，是目前液體、空氣凈化行業(yè)中替代散狀活性炭較為理想的新型換代產(chǎn)品。
④ 載銀活性炭 選用優(yōu)質(zhì)果核殼為原料，采用特殊載銀工藝精制而成。廣泛用于凈水器、礦泉壺飲水機等凈化滅菌設備中，其凈化水的效果高于普通凈水炭。載銀后的活性炭依照銀離子的微動(dòng)效應起到抑菌、殺菌的作用。
活性炭在水處理中的應用及存在的問(wèn)題：活性炭（GAC）已被廣泛應用于水的常規處理和深度處理中。由于活性炭自身的物理特性——超強的吸附能力，決定了它可以用來(lái)吸附水中的難聞味道，余氯，脫色等。它已成為去除水中有機污染物的最成熟最有效的方法之一。我國清華大學(xué)的研究發(fā)現活性炭對水中氯化產(chǎn)生的致突變物質(zhì)亦有去除作用。然而活性炭在水處理，特別是用于飲用水深度處理的凈化設備中，也存在著(zhù)無(wú)法解決的問(wèn)題。即活性炭介質(zhì)的自身污染問(wèn)題。它就像一個(gè)超級的海綿，在吸附大量的有毒有害污染物的同時(shí)，在它的微孔中會(huì )繁殖大量的細菌。實(shí)驗證明，當活性炭過(guò)濾器使用到一定時(shí)間，活性炭吸附到了大量的有機污染物，而具有殺菌作用的余氯又不存在，此時(shí)微生物極易繁殖；有機物在微生物的作用下于活性炭的界面上發(fā)生分解，使有機氮逐步分解為蛋白氮，氨氮，亞硝酸鹽氮，使得活性炭過(guò)濾器的出水中亞硝酸鹽含量增加。這樣不但達不到凈化水質(zhì)的目的，反而會(huì )污染水質(zhì)。
載銀活性炭的出現：銀的殺菌作用早在遠古就被人類(lèi)發(fā)現。在中國銀餐具的使用，在國外人們在鮮牛奶中放入銀幣以延長(cháng)牛奶的保存時(shí)間，都是最早應用銀抗菌的實(shí)例。19 世紀末路易斯?巴斯德就發(fā)現將金屬銀放入盛水的容器中，顯示出銀的殺菌性能。隨著(zhù)科學(xué)的進(jìn)步，人們發(fā)現膠質(zhì)銀（粒徑介于10~100nm之間的微細顆粒）能有效的對抗650種以上不同的傳染疾病，另有8種病菌能夠對抗膠質(zhì)銀。在青霉素發(fā)現以前，銀是“古老的抗菌素”，“許多不同種類(lèi)的耐抗生素病菌都能被膠質(zhì)銀殺滅”。因此FDA（美國食品與衛生署）允許膠質(zhì)銀開(kāi)架銷(xiāo)售。
我國很多企業(yè)在研究和生產(chǎn)載銀活性炭，采用的工藝原理普遍為物理吸附法。過(guò)去活性炭載銀，人們往往直接用硝酸銀（AgNO3）水溶解浸漬后干燥，此方法未改變硝酸銀結構，所以一遇水便很快溶解流失。后來(lái)，有人將硝酸銀轉化氯化銀以減少流失。目前在國內最先進(jìn)的方法是采用［Ag(NH3)2］+ 絡(luò )合物的方式，使其轉變?yōu)榛钚蕴靠梢晕降奈镔|(zhì)。然后再經(jīng)高溫煅燒使之成為單質(zhì)銀和氧化亞銀?；钚蕴繉︺y氨絡(luò )合物的吸附為物理吸附，其鍵能為范德華引力。
載銀活性炭通常用于小型家用或商用的凈水器中，載銀活性炭選用粒度20～30目的顆粒果殼炭。常用的銀劑是硝酸銀(AgNO3)。滲銀量以銀計小于1％（重量比），當水通過(guò)載銀活性炭時(shí)，銀離子就會(huì )慢慢釋放出來(lái)。有資料介紹，銀離子在水中的濃度為0.1～0.2mg／L時(shí)就能達到殺菌目的，但此濃度已高于《生活飲用水水質(zhì)標準》中0.05 mg／L銀含量，我們知道銀是一種重金屬，是對身體有害的，在飲用水凈化中是要去除的物質(zhì)。如何解決載銀活性炭在水處理中銀的脫落問(wèn)題，成為載銀活性炭生產(chǎn)工藝的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
CARTIS載銀活性炭
從1993 年開(kāi)始， 法國科學(xué)家Cyril Heitzler 與法國國家科學(xué)院多名水處理專(zhuān)家經(jīng)過(guò)8年多年研究試驗，解決了這一世界難題，生產(chǎn)出了一種新型的載銀活性炭（法語(yǔ)為CARTIS）。其基本原理是利用等離子技術(shù)實(shí)現銀和炭的共價(jià)鍵結合。使載銀活性炭由傳統的物理結合變?yōu)榛瘜W(xué)結合。這是一種質(zhì)的飛躍。
CARTIS載銀活性炭的特點(diǎn)：銀與炭是化學(xué)結合（共價(jià)鍵）銀不會(huì )脫落。吸附能力是普通載銀活性炭的109倍，而且不會(huì )滋生細菌?？诟懈纳菩Ч黠@。
(2) 活性炭吸附原理
活性炭是一種經(jīng)過(guò)特殊處理的炭，每克活性炭的面積為500~1500平方米?；钚蕴坑泻軓姷摹拔锢砦健焙汀盎瘜W(xué)吸附”功能，解毒作用就是利用了其巨大的表面積，將毒物吸附在活性炭的微孔中，從而阻止毒物的吸收。同時(shí)，活性炭能與多種化學(xué)物質(zhì)結合，從而阻止這些物質(zhì)的吸收?；钚蕴磕軌驗V除水中化學(xué)有機物、色度、異味、氯離子等，并改善口感。
① 活性炭中的孔隙可以分成三類(lèi)
a)微孔：孔徑＜4nm，其表面積占活性炭總的面積的95%以上，是活性炭的主要吸附區；
b)中孔，又稱(chēng)過(guò)渡孔，孔徑＜4nm～100nm，其表面積占總面積的5% 以下，中孔為吸附質(zhì)進(jìn)入微孔提供了通道，并可以吸附一些大分子有機物，但因其表面積較小，對大分子有機物的吸附能力有限；
c)大孔：孔徑＞100nm，占不到總表面積的1%，主要為吸附質(zhì)提供通道。
② 活性炭的吸附主要是物理吸附，通過(guò)其巨大的表面積對吸附質(zhì)進(jìn)行吸附?；钚蕴吭诟邷刂苽渲?，炭的表面形成了多種官能團對水中的部分離子有一定的化學(xué)吸附作用，因此活性炭也可以去除一部分金屬離子，其作用是通過(guò)絡(luò )合螯合作用，選擇性較高。
③ 被吸附物質(zhì)的化學(xué)性狀，和吸附質(zhì)的分子大小，都會(huì )對活性炭的吸附功能有影響，吸附質(zhì)的極性越強，則被吸附的性能越差?；钚蕴康闹饕奖砻娣e集中在孔徑＜4nm的微孔區，在飲用水處理中的實(shí)際驗測中發(fā)現活性炭主要去除相對分子質(zhì)量＜1000nm的物質(zhì)，其最大去除區間的相對分子質(zhì)量為500~1000（飲用水水源中相對分子質(zhì)量＜500的部分主要為極性物質(zhì)，不易被活性炭吸附。
活性炭的主要功能是吸附生活飲用水中的有機物和氯，因此生產(chǎn)活性炭應按有關(guān)衛生規范進(jìn)行。炭本身不能溶出影響水質(zhì)的物質(zhì)，炭的吸附過(guò)濾功能要符合相應的要求。
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