活性炭是一種經過加工的多孔的碳，有許多不同的用途，特別是吸附和化學反應需要的水和氣體淨化。因為活性炭顆粒的多孔，它們有非常大的表面嵌入到它們表面的孔洞中。這些區域還可以用其它材料填充，以達到其它目的。例如，在水的淨化過程中，銀被混合到碳孔中，以過濾生活飲用水中的汞和有機砷等污染物。因為碳是通過一系列相對便宜和簡單的活化過程從木炭中生產出來的，所以它可以大量用於許多應用。
目錄
什麼是活性炭
活性炭的製造
活性炭的相關指標
活性炭的應用
什麼是活性炭?
顆粒活性炭是一種用途廣泛的吸附劑，具有選擇性吸附數千種有機和某些有機材料的能力。從古埃及的醫用碳粉，到威士忌酒桶的燒焦內部，幾個世紀以來，碳一直被活化並用作吸附劑。顆粒狀氣相活性炭介質首次廣泛應用於第一次世界大戰的軍用防毒面具，並在兩次世界大戰之間的幾年裡，用於溶劑回收系統的商業用途。
顆粒狀液相活性炭在第一次世界大戰之後獲得了第一個突出的應用，在糖脫色和純化抗生素。今天，有數百個應用-如果在環境控制的總標題下的不同用途單獨計算，正在進行的應用數量在數以千計。
儘管有這些變化，但生產的活性炭主要有三種類型:
粉末活性炭(PAC)
粉狀活性炭一般在5 - 150 Å的粒徑範圍內，也有一些外圍的粒徑可供選擇。PAC通常用於液相吸附應用，可降低處理成本和操作靈活性
顆粒活性炭(GAC)
顆粒活性炭一般在0.2毫米到5毫米的顆粒大小範圍內，可用於氣相和液相應用。GACs很受歡迎，因為它們提供清潔的處理，並往往比pac使用時間更長。
此外，它們提供了更好的強度(硬度)，並可以再生和重複使用
擠壓活性炭(EAC)
擠壓活性炭是一種圓柱形顆粒產品，大小從1毫米到5毫米。EACs通常用於氣相反應，是一種重型活性炭作為擠壓過程的結果
其它類型
其它種類的活性炭包括: 珠活性炭、浸漬碳、聚合物包覆碳、活性炭布、活性炭纖維。
如何製造活性炭
活性炭的生產過程，即活性炭的活化，有兩種形式。一種碳質來源，可以以煤、泥炭或任何有機碳質物質的形式存在，這意味著純碳是通過一種稱為熱解的加熱方法提取的。一旦材料碳化，它需要氧化，或用氧氣處理，要麼暴露在二氧化碳中或蒸汽，或酸鹼化學處理。
碳化
碳化是將富含碳的材料通過加熱轉化為純碳的過程。這種加熱過程被稱為熱解，來自一種古老的木炭製造技術。一開始使用的是非常緻密的碳質材料，因為最終的結果需要為活性炭目的的超多孔性。富含碳的材料被放置在一個小的爐中，在2000攝氏度的極端溫度下處理。剩下的通常是開始重量的20 - 30%，主要由碳和一小部分無機灰組成。這與「焦化」非常相似。「焦化」是一種從木炭(一種碳基燃料)中生產焦炭的方法。
一旦多孔形式的碳產生，它需要進行氧化，以便它可以吸附。這可以通過兩種方式之一發生:氣體處理或化學處理。
氣體處理
碳的活化可以在氣體被泵入的同時，通過室內加熱來直接完成。這使它暴露在氧氣中以達到氧化的目的。當活性碳被氧化時，它很容易被吸附，這是化學物質表面結合的過程——正是這一過程使得活性碳能夠很好地過濾液體和氣體中的廢物和有毒化學物質。對於物理氣體處理，碳化熱解過程必須在600-900攝氏度的惰性環境中進行。然後，一種含氧氣體被泵入環境中，並在900到1200攝氏度之間加熱，使氧與碳表面結合。
化學處理
在化學處理中，該工藝與碳的氣體活化略有不同。其一，碳化和化學活化同時發生。準備一種酸、鹼或其它化學品的浴液，並將材料浸入其中。然後將浴槽加熱到450-900攝氏度，遠低於氣體活化所需的溫度。碳質材料碳化，然後活化，所有的速度比氣體活化快得多。然而，一些加熱過程會導致微量元素吸附到碳上，這可能會導致不純或無效的活性碳。
後處理活性炭
經過氧化後，活性炭可加工成多種不同的用途，具有幾種可分類的不同性質。例如，顆粒活性炭(GAC)是一種砂狀產品，比粉末活性炭(PAC)顆粒大，每一種都用於不同的應用。其它種類包括浸漬碳，它包含不同的元素，如銀和碘，以及聚合物塗層碳。
活性炭的相關指標
在為特定應用選擇活性炭時，應考慮多種特性:
活性水平
活性水平通常用單位重量的總表面積來表示，通常用平方米/克來表示。總的暴露面積一般在600-1200平方米/克。
為了在吸附中有用，表面面積必須存在於足夠大的開口以容納吸附質分子。活性水平是測量的，當考慮到下面部分描述的附加特徵時，它是最有意義的。
孔隙結構
雖然進入碳結構的開口可能有各種形狀，「孔隙」一詞，意味著一個圓柱形的開口。孔隙結構曲線描述了這些孔隙壁之間的微小距離，通常表示為各種「直徑」的孔隙所代表的總表面積或總孔隙體積的函數。活性炭內部的孔隙不可能具有精確的平均形狀，但總的來說，顆粒狀的活性炭通常會表現得好像它的所有表面積都在這種形狀的孔隙中。
最小直徑的孔隙構成微孔結構，是吸附能最高的部位。微孔隙有助於吸附低分子量、低沸點的有機蒸氣，並將水中的微量有機物去除到不可檢測的水平。較大的孔洞構成了大孔隙，這有助於吸附非常大的分子和分子聚集體，例如原糖溶液中的「色體」。大孔結構的另一個重要功能是協助流體擴散到碳顆粒內部的吸附位點。
綜上，孔隙結構。(1)能有效吸附高揮發性溶劑，控制某些類型的氣味，去除水中的痕量有機物; 後者具有邊際擴散特性。(2)對各種大小的分子提供了良好的選擇性平衡，能夠將蒸氣和液體污染降低到超低水平，並具有良好的擴散特性。(3)將允許良好的擴散，並可以容納非常大的分子尺寸，但很少有微孔結構，對大多數有機物有非常差的保持性。
原材料
顆粒活性炭可以由各種碳質原料生產，每一種原料都將賦予成品典型的品質。商業品級通常由椰子和其他堅果殼、煙煤和褐煤、石油焦、鋸末、樹皮和其他木製品製成。一般來說，果殼和石油焦會產生非常堅硬的碳，其孔隙結構具有以上(1)的特徵，相對堅硬的碳具有(2)型結構，而缺乏抗壓和耐磨性的碳具有(3)型結構。應該強調的是，特定的生產技術可能會產生與給定原料標準不同的碳。
表觀密度
大多數活性炭的固體或骨架密度在2.0-2.1 g/ml之間。然而，這將描述一種基本上沒有表面積和吸附能力的材料。
由於顆粒活性炭用於固定體積的吸附劑中，表觀密度值可以用來計算體積活度，這有助於確定替代碳負荷的吸附劑的工作能力。
由於標準活性測試是用烘箱干碳進行的，同樣，由於活性水平極低而導致的高密度，或由於再活化而產生的灰或非活性炭殘渣，或任何非碳摻假，通常都不會有益於使用壽命或吸附劑產生高淨化液體的能力。
顆粒大小
由於去除雜質需要吸附質擴散到顆粒內部結構，吸附速率將隨著顆粒尺寸的減小而增加。當流體流過吸附劑時，增加的吸附速率將需要更少的吸附劑床深度和吸附質被去除區域的接觸時間。這種功能吸附區稱為吸附波陣面或~轉移區。然而，對於任何給定的流體，顆粒尺寸的減小都會增加流動阻力或壓降。在實踐中，選擇粒度是為了在快速吸附和有效去除的競爭優勢與增加流動阻力和隨之而來的更高泵送成本之間取得合理的平衡。
硬度
所有顆粒活性炭的硬度和耐磨性一般都是有益的，儘管它們的操作用途可能有很大的差異。在常見的吸附器設計和操作範圍內，所有商業顆粒活性炭可以承受其自身的重量和流體流動引起的壓力效應。因此，在顆粒活性炭只使用一次或很少使用的系統中，硬度特性可能很少或根本不重要。相反，如果碳需要頻繁地進行再生處理，在適當的再生過程中受到熱衝擊，或者必須抵抗過度的振動，那麼硬度就變得相當重要。例如，在使用熱再活化的系統中處理軟碳的細粉(灰塵)可能會使再活化爐本身的損失增加一倍或三倍。在使用蒸汽循環再生的溶劑回收系統中，容易斷裂的碳經常會提高壓力降，以至於需要重新篩選、補充或更換吸附劑。
在評價硬度值時，應記住顆粒活性炭硬度測試與用於塑料、金屬或礦物的硬度等級沒有關係。硬度為98的碳比硬度為80的碳要高得多，但硬度更高的材料，如金剛石、鋼和銅，儘管它們的實際硬度不同，但根據顆粒活性炭硬度測試，它們都將報告為100。
灰分
如果部分炭為原料，灰分一般在2- 20%重量不等的商用顆粒活性炭。總灰分的一部分可能是水溶性的，通常更多的是酸溶性的，而其餘部分在碳的骨骼結構深處是不溶性的。來自木頭和果殼碳的灰燼往往富含鹼性金屬，而來自煤炭的灰燼主要是鋁、矽和鐵的氧化物。在有限的情況下，痕量的可溶或活性灰是有害的，可使用用水或酸預洗的顆粒活性炭，或基於某些原材料的等級可以將總灰分或特定灰分成分降至最低。
天然灰通常不會對吸附過程有害，標準活性測試報告包括灰重量在內的顆粒活性炭效率。然而，在某些再生顆粒活性炭中，以前使用的殘留物可能會堵塞部分或全部的微孔結構，而微孔結構對於將有機物去除到超低水平至關重要。類似地，如果灰是由於之前的浸漬用於其他用途，或由於任何其他摻假，碳性能可能會嚴重受損。
pH值
活性炭的水提取物用於報告ph。未經處理的煤基碳通常接近中性，而果殼碳和木材碳更鹼性。大多數未經處理的GACs在pH值6-10之間變化，但添加酸或鹼可能進一步擴大這一範圍。
在淨化水和水溶液中，顆粒活性炭的pH值應與溶液的首選pH值進行對比。大多數有機物在pH值為5-7的微酸性溶液中吸附效果最好。然而，GAC的初始pH值不會影響處理後溶液的pH值很長時間(儘管吸附物被去除可能會改變溶液的pH值)。
活性炭的應用
從液體或氣體中吸附組分的能力使其在眾多行業中有成千上萬的應用，以至於事實上，它很可能更容易列出不使用活性炭的應用。活性炭的主要用途如下。請注意，這不是一個詳盡的列表，而只是強調。
水淨化
活性炭可用於去除水、廢水或飲用水中的污染物，這是幫助保護地球上最寶貴資源的寶貴工具。水淨化有許多子應用，包括城市污水處理、家庭水過濾器、工業處理場地水處理、地下水修復等。
空氣淨化
同樣，活性炭也可以用於空氣的處理。這包括口罩、家庭淨化系統、氣味減少/去除，以及工業加工場所煙氣中有害污染物的去除。
金屬回收
活性炭是回收金銀等貴重金屬的重要工具。
食品和飲料
活性炭被廣泛應用於整個食品飲料行業，以實現一些目標。這包括脫咖啡因，去除不需要的成分，如氣味、味道或顏色等。
藥用
活性炭可以用來治療各種疾病和中毒。