碳材料的结构性质汇总

上一堂课的主要内容生物质、生物质能、生物质资源、生物质能的特点、生物质能转化的技术路线生物质气化、生物质气化基本原理与过程、生物质气化工艺流程植物资源液化第一节、活性炭的基本概念第二节、活性炭的微结构第三节、活性炭的孔隙结构第四节、活性炭的化学结构第五节、活性炭的吸附性能第六节、活性炭的质量指标

第四章活性炭的结构和性能第一节、活性炭的基本概念一、活性炭是什么?(定义)活性炭（AC:activatedcarbon）是由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。分子式：C；分子量：12.011；熔点：3652℃；沸点：4827℃，3652℃升华。有多孔结构和对气体、蒸气或胶态固体有强大吸附本领的炭。每克的总表面面积可达500～1000平方米；密度为1.9～2.1；表观密度约0.08～0.45。含碳量10%～98%。二、活性炭工业历史与现状活性炭工业历史：在公元前1550年埃及就用于医药，公元前2世纪印度用于滤水，长沙马王堆出土的汉墓木椁用木炭来吸潮、防腐，明朝李时珍在《木草纲目》中记述果核烧炭可治疗腹泻和肠胃病。到中世纪，木炭用于糖液脱色精制．以后发现骨炭有更大的脱色力，从19世纪中叫开始研究“用量少、效果好”的脱色吸附剂，活化炭的研究走上了轨道，二十世纪初欧洲诞生了活性炭工业。日本学者柳井弘提出，把活性炭工业的建立和发展分为四个时期：(1)、工业化前(1900年以前)1856年已有用麦粉、焦油和MgCO3混合加热制脱色炭的，1868年开始用纸厂废物拌和磷酸烧制脱色炭。但这些都是在实验里完成的，工业化设备、材料、工程理论问题没能得到解决。谢勒(Sheele)在1773年、方塔纳(Fontana)在1777年分别发现木炭能吸附大量的气体及空气。1785年，洛维茨证实木炭能使某些液体脱色。这一发现导致木炭于1794年在英国精制糖厂中首次获得工业应用。18世纪末，人们首次发现木炭的吸附能力(2)、工业生产出现(1900-1925年)：1900-1901年，奥斯特雷杰科(Ostrejko)发发明了金属氯化物和植物原料混合来制造活性炭的两项专利。1909年以木炭为原料用气体法在欧洲开始生产粉状活性炭，1911年荷兰NORTE炭出售(后成为命名的糖用碳)，1911年在维也纳附近的Fanto工厂首次用水蒸气活化法生产出Eponit粉状炭，1913年又用氯化锌活化法生产出防毒面具用的粒状活性炭。从20世纪初至20世纪中期，由于战争的原因，防毒面具用活性炭和糖厂用的脱色炭有很大发展。第二次世界大战开始后，要求可靠性更高的防毒面具，煤开始作为生产活性炭的原料，出现了压块、压伸工艺制造技术。(3)、成长期(1925-1950)，20年代初期在欧洲，活性炭的用途已扩大到矿物油、植物油和化学药品的精制。1926年以后，活性炭制法研究集中在荷兰，而理论方面研究集中在德国。1929年以后，在美国开始把粉状活性炭用于水处理(每年2000-3000t)。这时原料使用相当广泛，扩展到用果壳、核、泥煤等。活化方法也多种多样，理论研究进一步深化。1938年布朗诺尔、埃米特、泰勒(Brunauer,Emmett,Teuer)3人在朗格谬尔(Langmuir)动力学吸附理论的基础上，提出了多分子层吸附理论(简称BET理论)和著名的BET方程。1943年美国匹斯堡活性炭公司(现在的Calgoh公司)首次采用烟煤压块、水蒸气活化工艺制造军用活性炭。德国和日本采用挤压成型制造柱状活性炭。在此期间，基础性研究也有了一些进展。(4)、新发展期(1950—1975年)。第二次世界大战后．活性炭工业的主导权己从欧洲转到美国，为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大到空气净化、废水处理、香烟滤嘴等方面、原料来源转向煤、石油。多层耙式炉、流动床炉等气体活化法逐步扩大，药品(氯化锌)活化法逐渐减少、再生技术提上日程，进入现代化工业水平。这时在美国活性炭的应用巳遍及17个行业，如自来水、工业用水净化，气体净化、分离，溶剂回收，制糖等。工业应用促使活性炭吸附理论和空隙结构研究有很大进展。苏联学者杜宾宁(Dubinin)等人发展了Polanyi的吸附势理论，提出了体积填充理论和计算活性炭孔分布的D-R(Dubinin-Radushkevioh)和D-A(Dubinin-Astakhor)方程，成为当今人们研究活性炭孔结构的重要理论和方法。从20世纪70年代初开始，随着现代工业和环境科学的发展，出现了许多活性炭新品种和新应用，如球形炭、浸渍炭、纤维活性碳等。活性炭的产量和质量也在不断提高，至80年代末全世界活性炭年销售量约60万吨，其中以煤为原料加工制成的活性炭占60%以上。三、我国活性炭工业的创立与发展1、企业发展我国的活性炭工业初创于50年代，60-70年打基础，前30年经过马鞍形、螺旋式曲折发展历程、基本上建成了独立、完整、初具规模的工业体系。目前．年产量达10余万t，仅次于美国、俄罗斯、日本居世界第4位，比初期增长3000余倍，翻了30多番；活性炭工业产值在整个林化产品个仅次于纸和松香居第3位。

在活性炭工业的发展史上，

有代表性的事件记录如下：

1949年，沈阳东北制药总厂多管炉投产：(木炭原料，粉状药用碳)、1951年，青岛东风化工厂焖烧炉投产(木屑原料，粉状药用炭等)。1957年，上海新中国化工厂建成氯化锌法土法生产车间(木屑原料，糖用粉状炭)；接着在杭州木材厂建成了同样的车间。1960年，在太原908厂建成斯列普炉，国家重点项日活性炭最大专业厂投产(煤、果壳原料，生产颗粒炭)，

1965年．青岛东风化工厂建成间歇式沸腾炉生产车间。

1966年，黑龙江铁力干馏场建成回转炉法活性碳车间(木炭原料．水蒸汽法粉炭)。

1970年，北京光华木材厂建成厂鞍式炉法活性炭车间。用椰壳、杏核等果壳(核)作原料生产维尼纶载体活性炭。1975年以前．我国活性炭工业还没有负责协调发展的主管单位，产量一直在1万t以下波浪起伏。

1976年，农林部、对外贸易部共同在江西怀玉山召开了全国第一次活性炭座谈会，开始有意主管活性炭生产，对活性炭生产的发展起到了很大的推动作用。1981年，在重庆召开第一次全国活性炭学术讨论会时，活性炭产量首次过1万t，达到1．2万t。1983年，在太原召开第二次全国活性炭学术讨论会时产量翻番达3．5万t。

1987年，在北京召开第三次全国活性炭学术讨论会时统计产量达4．5万t。

l991年，在上海召开第四次全国活性炭学术讨论会时统汁产量达5．5万t。1992-1993年分别召开全国活性炭行业协会和全国活性炭学术讨论会时统计产量达6万t，生产能力有l0万t。2、活性炭的产量2007年活性炭产量150，000吨颗粒活性炭总产量85，000吨粉状活性炭总产量65，000吨1990年1995年2000年2005年2010年活性炭总产量43.067.0100.9149.6216.1活性炭进口量0.91.42.13.14.5活性炭出口量25.640.160.091.1135.7活性炭净出口量24.738.757.988.0131.2市场总消费量18.328.343.061.684.9水处理

3.14.87.611.315.6食品5.38.513.218.525.7汽车4.16.39.714.419.8溶剂与废气回收2.33.55.57.810.8空气净化3.55.27.09.713.0

颗粒活性炭总产量85，300

银川活性炭厂8，300

北大旺庄活性炭厂（音译）6，700

宁夏华辉活性炭有限公司5，000

大同光华活性炭厂4，200

江西怀玉山活性炭（集团）有限公司4，000

福建南平元力活性炭厂3，400

大同活性炭厂3，200

宁夏广厦万德活性炭股份有限公司2，500

江苏溧阳南方活性炭厂2，500

赤峰有机化工厂2，300

其他33，200

粉状活性炭总产量65，600

竹溪活性炭有限公司8，500

福建南平元力活性炭有限公司4，300

江西怀玉山活性炭(集团)有限公司4，200

宁夏华辉活性炭有限公司3，400

北大旺庄活性炭厂（音译）3，360

宁夏广厦万德活性炭股份公司3，300

山西新华化工厂2，900

重庆酒用活性炭厂2，500

上海亿鑫活性炭有限公司1，700

江苏溧阳南方活性炭厂1，700

其他11，740在中国，竹溪活性炭有限公司是最大的生产粉状活性炭的公司。这家公司的市场份额是18.6%(粉状活性炭的总产量是45，600吨)，同年产量也达8，500吨。福建南平元力活性炭有限公司有大约4，300吨的产量，2000年，他拥有约9.4%的市场份额。其他生产商例如宁夏华辉活性炭有限公司（7.5%），北大旺庄活性炭厂（音译）(7.3%)，宁夏广厦万德活性炭股份公司(7.2%)和山西新华化工厂(6.4%)是中国生产粉状活性炭的主要生产商。3、主要外国投资竹溪活性炭有限公司

10，000吨竹溪唐山建新活性炭厂

5，000吨唐山序号国家或地区年生产能力（万t/a）1

2

3

4

5

美国

西欧

日本

东欧

东南亚19.62

>10

9.4

>10

9.1

1999年世界主要活性炭生产国和地区活性炭生产4、我国出口地格局：

2002年前10位出口省、市依次是山西、北京、宁夏、天津、福建、江西、上海、河北、江苏、吉林；这基本和我国活性炭的生产布局差不多；2001年的顺序是山西、北京、宁夏、福建、天津、江西、江苏、河北、上海、吉林。5、国外出口市场格局：多年来，我国的活性炭主要出口到日、美、韩、欧洲和其他一些发达国家。从上世纪80年代起，由于发达国家考虑到自然资源保护和高劳动力成本问题，这些国家的公司多已从单一生产商转变成为结合研究、生产和管理的新型公司，他们使用高新技术来开发新产品和扩大市场需求。这些公司从我国或其他东南亚的国家买来大量的初级产品和半成品，然后精炼这些产品或改变包装，再进行转口贸易，而不是由他们自己生产产品，而转向通过运用他们在技术、设备、资本、销售网络和商标上的优势，来赚到超额利润，这些利润往往是货物自身价值的几倍。有关的资料显示，从我国出口的活性炭产品，其CIF价格甚至比某些目的地国家在其国内市场买来的原料还要便宜。2000-2007年8月我国活性炭出口单价走势图

单位：美元/吨从近10多年的情况看，

我国活性炭工业的发展趋势为：(1)活性炭厂从城市向乡村和原料产区转移，以解决污染和原料问题。(2)乡镇、个体办的活性炭小厂如雨后春笋，在很多山区成了致富门路之一。

(3)对外技术合作和贸易有突破性发展。

(4)科技教育蓬勃发展，多行业、多部门都涉足活性炭领域。

目前，我国有30多个大学、科研所和设计院进行有关活性炭的科研和技术开发工作。对活性炭工业的发展起到了推动作用。我国的活性炭工业同美、日等国比仍有较大的差距，如小厂多，分散，生产工艺、设备比较落后等。今后随着工业的发展，人民生活水平的提高，活性炭的生产必将飞跃到一个新的水平。清华大学新型炭材料研究室隶属于清华大学材料科学与工程院（系）教育部先进材料实验室。研究室主要从事天然石墨（鳞片石墨，微晶石墨）的深加工技术，多孔炭材料的制备和表征，及其在储能、节能、环保、绿色制造等方面的应用研究。主要有以下几个研究方向：（1）石墨工艺与天然石墨深加工技术；（2）环保材料与吸附过滤；（活性炭）（3）储能材料与高性能电池；（活性炭）（4）节能材料与绿色制造。（碳纳米管）低硫膨胀石墨/柔性石墨的制备多孔石墨对粘稠类有机液体的超吸附行为和再生技术研究膨胀石墨基隐身功能与机理研究石墨基燃料电池双极板制备与研究天然微晶石墨用作锂离子二次电池阳极材料的开发

多孔炭材料的制备以及其对挥发性有机物和腐蚀性气体的吸附规律研究天然多孔矿物与碳反应过程的基本物理化学问题

室内空气质量的评估与控制技术超临界环境下炭材料纳米孔空间形成过程的研究四、活性炭分类

由于原料来源、制造方法、外观形状和应用场合不同，活性炭品种不下千种。1、按原料来源分•(1)、木质活性炭：以木屑、木炭等制成的活性炭。果壳（果核）活性炭：以椰子壳、橄榄壳、核桃壳、杏核等制成的活性炭。

•(2)、动物质原料活性炭：兽骨、血炭•(3)、矿物质原料活性炭

煤质活性炭：以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤等制成的活性炭。

石油类活性炭：以沥青等为原料制成沥青基球状的活性炭。•(4)、其它原料的活性炭含碳的有机废料和农业副产品，例如稻壳、稻草、棉子壳、咖啡豆梗、油棕壳、糠醛渣、甘蔗渣、纸浆废液、合成树脂等等都可化无用为有用制成活性炭。

•(5)、再生活性炭：（ReactivatedCarbon）,与原活性炭(VirginActiveCarbon)相区分。

2、按制造方法分(1)、物理法活性炭

以炭为原料用水蒸汽、二氧化碳、空气（主要是氧）或它们的混合物（烟道气）为活化介质，在高温下（600～1000℃）进行活化制取活性炭的方法叫物理法。物理法制造的活性炭叫物理法活性炭，也称作物理炭。

一般说来物理炭的微孔（孔直径或孔宽小于1.5纳米的孔隙）发达，主要用于气相吸附场合或小分子液相吸附场合。(2)、化学法活性炭(化学炭)

将含碳原料与某些化学药品混合后进行热处理，制取活性炭的方法叫化学法。用化学法生产的活性炭又称为化学法活性炭或化学炭。化学品法活化的活性炭：例如以氯化锌作活化剂，原料和氯化锌溶液混合后，在隔绝空气下加热到约700℃，生成活性炭。

一般说来，化学炭的孔隙中次微孔、中孔（即孔直径或孔宽大于1.5纳米的孔隙）较发达，主要用于液相吸附精制和溶剂回收的气相（蒸汽）吸附场合。

化学法制造活性炭由于加入了化学药品在制造过程中应当极其重视环境保护以及产品中可能存在微量非原料带入的元素的影响问题。（3）、化学--物理法或物理--化学法活性炭

在了解化学炭和物理炭的同时，还应当提及化学--物理法或物理--化学法活性炭。选用不同的原料和采用不同的化学法与物理法的组合可以对活性炭的孔隙结构进行调控，从而制取许多性能不同的活性炭。这种化学--物理法或物理--化学法是许多年来及今后相当长时期内世界各国活性炭工作者非常关注的活性炭制取方法。

3

、按外观形状分（1）、粉状活性炭

一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于0.175mm的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。粉状活性炭是非常微细的粉末，绝大部分可通过200

目筛网(74μm)，大部分可通过325目筛网(43μm)，粉的尺寸在1～150μm之间(平均约40μm)。

通常，炭粉越细，表面积大，吸附能力大，它对杂质的吸附速度越大。故常将活性炭产品进行高度的破碎和筛选，得到微细的粉末。吸附特定大分子有机物，对于木质碳而言，250目的吸附效果比200目提高10.01％，325目的比200目提高25.3％；对于煤质而言，250目的吸附效果比200目提高66.2％，325目的比200目提高101.5％。对于木质和煤质活性炭吸附特定大分子有机物效果比较，木质远远优于煤质。粉状炭的不足

粉状炭在使用时有吸附速度较快，吸附能力使用充分等优点，但需专有的分离方法。随着分离技术的进步和某些应用要求的出现，粉状炭的粒度有越来越细化的倾向，有的场合已达到微米甚至纳米级。粉状炭的缺点是再生比较困难，通常不再生使用粉状炭需要相当大的混合池和沉淀池以及混合、沉淀、过滤、分离等多道工序，操作困难，失效的活性炭不能再生使用，故消耗量较大(近年也有研究将它再生)。（2）

颗粒活性炭

通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活性炭。

较早阶段粉状炭的产量与用量均超过粒状炭。糖和药品的脱色精制以及早期的水处理都以粉状炭为主。后来随着应用范围的扩大、使用工艺的改进，特别是再生方法与再生设备的解决，使粒状炭的用量不断上升。加上各种煤制粒状炭的开发，使成本降低，汽量增加，因此粒状活性炭的产量与用量逐渐超过了粉状活性炭。

六十年代以后，随着环境保护事业的发展，各国开始采用和建立大型的粒状活性炭净化自来水的装置和工业废水的净化处理装置。将粒状活性炭装在吸附塔或吸附池内，水以一定的流速通过活性炭装填层，以达到净化的目的。可以间隙或连续操作，失效的粒状炭经再生多次使用，明显降低了炭的用量。使用中没有二次淤渣和粉尘，也改善了操作条件。

在气相应用方面，几乎从一开始就主要采用粒状炭，因为粉状炭是难以使气流顺利通过的。美国六十年代初粒状炭仅占活性炭年总产量的五分之一。而八十年代初，粒状炭与粉状炭己经平分秋色，以后仍成逐步增长的趋势。我国到七十年代末，粒状炭产量大约仅占年总产量的四分之一，目前已经超过一半。近几年国内再次掀起的“活性炭”热新上马的厂家大都以粒状炭为主，而且更多的是以各种煤为基质原料。①、

不定型颗料活性炭

不定型颗料活性炭一般由颗料状原料经炭化、活化，然后破碎筛分至需要粒度制成，也可以用粉状活性炭加入适当的粘结剂经适当加工而成。不定型颗粒活性炭以上下限尺寸表示粒度范围，用乘上100的数字标出，例如上限×下限，35×59，表示粒度的范围为0.35~0.59mm。②、园柱形活性炭

园柱形活性炭又称柱状炭，一般由粉状原料和粘结剂经混捏、挤压成型再经炭化、活化等工序制成。也可以用粉状活性炭加粘结剂挤压成型。柱状炭又有实心和中空之分，中空柱状炭是柱状炭内有人造的一个或若干个有规则的小孔。圆柱形活性炭：以圆柱形的颗粒的横截面的直径表示，用乘上10的数字标出。例如圆柱体直径30，表示圆柱体横截面的直径为3mm。柱状活性炭、破碎活性炭和粉状活性炭，主要规格有Ф3.0、Ф4.5、Ф5.5、Ф7.0,4x8目、8x30目、12x40目、200目、325目等，③、

球形活性炭

球形活性炭故名思义是园球形的活性炭，它的制取方法与柱状炭类似，但有成球过程。也可以用液态含碳原料经喷雾造粒、氧化、炭化、活化制成，还可以用粉状活性炭加粘结剂成球加工而成。球形活性炭也有实心和空心球形活性炭之分。球形活性炭：以球形颗粒的直径表示，用乘上10的数字标出。例如球形直径为20，表示球体直径为2mm。形状最好，需造粒。球形活性碳具有壓降小，磨耗率低且容易操作之優點，正常狀況下磨耗量約0.3g/m2。hr，大都利用於流體化床的系統。（3）

其它形状的活性炭

除了粉状活性炭和颗粒活性炭两大类外，还有其他形状的，如活性炭纤维、活性炭纤维毯、活性炭布、蜂窝状活性炭、活性炭板等等。①、纖維狀活性碳活性炭纤维是指纤维直径8~10ūm活性炭，以粘胶丝、聚丙烯纤维等为原料，用气体活化制成，比一般活性炭有较大的吸附量、吸附速度和脱吸速度，并有可挠性，能加工成各种形状的织物。主要目的是揉和粉末活性碳高面積、高吸附力及粒狀活性碳壓降小、可再生的優點，而且具有獨特的強度，可二次加工，通常其吸脫附性能也頗良好。表面積高達2500m2/g。②、表面塗佈之基材活性碳

表面塗佈之基材活性碳多用於微量污染物之去除，如潔淨室之淨化等。

直接塗佈形，大都以陶瓷纖維紙或玻璃纖維紙等耐燃性物質為基材，先成型為蜂巢狀，再將含有黏合劑之碳粉塗佈分散於基材表面，此產品由於屬於較均一之薄薄一層，效率較高，且在高風速流量時，例如；面速度2.5m/s壓降最低（<70Pa）。③、活性碳混紡织物

三明治形，主要以不織布將微粒狀之活性碳夾在中間，此多做成折疊狀之濾材成品。

由於碳粒與碳粒之間無法緊密結合，一般而言，此類型之產品效率較差，無達到極低濃度的去除效果，且使用時，壓降也較大。

混紡形則為將碳粉加入高分子材料中，再製成絲後織成產物，亦有混入紙漿內，再進行抄紙等製成產品，由於可添加之量有限，使用之壽命較短，且價格較貴。

产品特点：本产品采用高效吸附过滤材料－－活性炭与无纺布复合型的过滤介质，在既能过滤液体中颗粒杂质的同时，又能高效的去除分解液体中的异味及化学污染物质，如有机物、有害物质及重金属，是液体过滤技术中的一种新型滤材。主要用于工业水的净化处理，能有效去处水中异味及化学污染物质。

产品用途：

适用于生活用水过滤，化学工业、医药制品、机械工业、电子行业及食品饮料行业的过滤与净化活性炭纸ActivatedCarbonPaper

活性炭纸是经特殊设计将优质活性炭粉制成的一种滤材。兼有活性炭的吸附功能和过滤微粒的性能，并可适应缠绕或折叠等方式的机械加工，主要适用于水处理和空气净化。主要参数：克重(g/m2):

100-250厚度(mm):

0.4-1.2活性炭含量(%):

50透气量(L/min.100cm2):

≥225(500Pa)吸苯量(mg/g):

≥200

60.00

元/kg

无纺布活性炭根据加工方式不一样，分单面活性炭布、双面活性炭布，夹炭无纺布。具有良好的吸附性能，厚度薄,透气性好,易于热合成形，可有效吸附各种工业废气，如苯、甲醛、氨气、二氧化硫等。该产品目前已被广泛应用在中央空调过滤器、汽车滤清器、防护服、活性炭口罩，除臭鞋材等多个领域。

4、按孔容分（1）．

大孔型活性炭：所含大孔、中孔、微孔中，以大孔体积较大的活性炭。（2）．

细孔型活性炭：所含大孔、中孔、微孔中，以微孔体积较大的活性炭。活性炭孔径一般分为三类：大孔：1000-1000000A过渡孔：20-1000A微孔：20A5、按机能分高比表面积活性炭、分子筛活性炭、添载活性炭、生物活性炭等载银活性炭载生物活性炭6、按应用场合分

前已述及活性炭广泛应用于几乎所有国民经济部门和人们的日常生活，正因为如此，按活性炭应用场合进行分类是很困难的，问题在于同一种活性炭可以应用于多种场合，而某种场合又可以用多种活性炭达到相同的目的。人们往往是由应用来获得对活性炭的认识的，所以往往在活性炭词语前冠似×××活性炭也作为的定俗成的活性炭的模糊分类方法。如糖用活性炭、针剂活性炭、味精活性炭、净水活性炭等。不同应用几乎都有相应的品种，不胜枚举。目前中外已有质量标准的部分应用有：1、净水用；2、糖液脱色用；3、味精精制用；4、防毒面具用；5、气相色谱用；6、分析用；7、测试土壤用；8、测试AOX用；9、改正酒味酒香用；10、去放射性碘用；11、药典级；12、食品添加剂级；13、化学试剂级。

一般以用途为主分类，定出各项指标规格，指标按国家标准规定方法进行测定。

电子专用炭本产品主要用于：电子行业的高纯水净化。具有吸附速度快、吸附能力强，化学纯度高等特点。项目指标：粒12-20目度1.6-0.9mm%≥96；碘值mg/g≥980；强度%≥98；干燥减量%≤10；灰分%≤3；PH值6-8；充填比重0.4-0.45

电镀专用炭本产品主要用于镀镍、氢化镀铜、镀银、及铜锡合金、HEDP镀铜、镀烙等金属精加工。产品吸附效果好，因而使镀屋无脆性并防止镀层发花现象产生。项目指标：粒50-80目度0.35-0.18mm%≥95；碘值mg/g≥950；亚甲兰脱色力%≥9；充填比重0.37-0.45；干燥减量%≤10；可溶性灰分在HEDP镀液中显阴性杏壳净水炭本产品具有发达的孔隙结构，对净化饮用水有极的效能，能除去水中异臭、异味、氯、酚、汞、铅、砷、等有害物质，并提高色度，是装填家庭、社会团体、宾馆及高级净化水生产设备的理想材料。一极品二极品粒10-24目度2.0-0.8mm%≥95≥95；碘值mg/g≥1000≥900；亚甲兰脱色力ml≥11≥9；强度%≥95≥90；干燥减量%≤10≤10；灼烧残渣%≤3≤3；充填比重0.45-0.50.45-0.5；PH值6-86-8油脂脱色活性炭本产品用于工业油、矿物油、食用油的脱色、去杂味及胶杂质，广泛用于食品工业和化学工业的液相脱色与精制。项目指标：粒20-40目度0.9-0.45mm%≥98；强度%≥92；碘值mg/g≥950；干燥减量%≤10；灰分%≤3；酸溶物%≤0.2；醇溶物%≤3.5；氯化物%≤0.10；铁%≤0.15；硫化物%≤0.15；重金属%≤0.005；充填比重0.37-0.45PH值6-8粉状活性炭本产品主要用于味精、柠檬酸、氨基酸、啤酒、汽水、清凉饮料葡萄和搞菌素等的脱色提纯。项目指标：粒度100目0.15mm%≥95；亚甲兰脱色力ml≥11；碘吸附值mg/g≥950；总铁量%≤0.10；干燥减量%≤10；氯化物%≤0.20；灼烧残渣%≤3；PH值6-8味精专用炭本产品主要供味精工业装填吸附塔进行味精母液的连续脱色，提高味精的质量，减少粉状活性炭消耗量，还可装填各种塔柱在医药工业上供液相连续脱色，也可用有机溶剂等工业的脱色、除臭和精制。项目指标：粒24-48目；度0.8-0.35mm%≥95；碘值mg/g≥1000；强度%≥92；亚甲兰脱色力ml≥13；干燥减量%≤10；充填比重0.37-0.45；总铁量%≤0.10；PH值5-7颗粒空气净化炭主要用途：本品用于气相吸附领域，回收醇、酯、烃和芳香族等有机溶剂，也可用于空气过滤、净化、去除有害气体等。项目指标：粒4-10目；度5.44-2.0mm%≥85；碘值mg/g≥1000；强度%≥96；干燥减量%≤10；充填比重0.4-0.5；PH值6-8活性炭过滤棉纤维状活性炭滤棉是以优质粉状活性炭为吸附材料，将其载附在空气过滤无纺纤维基体之上制成，具有良好的吸附性和集尘效果，成型性好(任意裁剪、折叠)、强度高、气流阻力较小，主要用于油烟净化；各种家用、车用空调、空气过滤器配套；水质净化、气相吸附等。它可单独使用，去除微尘、烟雾、臭味、及挥发性有机污染物苯、甲醛等；亦可与超细熔喷纤维、粗效过滤棉复合，达到更高滤尘、除臭功效。可根据客户要求定制、按相应尺寸裁剪。主要指标：(以厚度4mm滤材测试)炭含量：≥40%；苯吸附：≥15%；四氯化炭吸附：≥35%；阻力：气体流量为0.8升/秒.平方厘米；压降≤0.8pa7、再生炭以用过的废炭为原料，进行再活化处理的再生炭(ReactivatedCarbon)，与原生活性炭(VirginActiveCarbon)相区分，在国外是一类重要商品。降低活性炭使用成本的主要途径。8、活性炭雕第二节、活性炭的微观结构一、微晶质炭材料的研究手段二、游离态碳的存在方式三、活性炭的微晶结构

一、微晶质炭材料的研究手段

1、微晶质炭中的元素组成、含量及存在方式的研究：元素分析、红外光谱、X射线光电子能谱、核磁共

振等。

2、类石墨微晶结构及其含量的研究：高分辨率透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等。

3、炭化过程中物质形态结构的电子结构变化的研究：偏光显微镜、扫描电子显微镜、电子自旋共振。

4、孔隙结构的解析：液氮吸附孔隙解析仪和压汞法解析孔隙结构,BET-比表面测定仪

5、电子结构的分析：电子自旋共振光谱。

二、游离态碳的存在方式

(一)、结晶态炭单质的微观结构1、

金刚石

碳原子：SP3杂化；

键长：0.154nm

维度：三维，立体结构

白色、坚硬的结晶体。碳原子以共价键的形式有序地排列成正四面体，即每个居正四面体中心的碳原子与四个居顶点的碳原子以共价键形式联结，形成坚固的骨架结构。刀片，锯片，钻头，砂轮等有句老话叫做“你没有金钢钻，就别揽瓷器活”，人造金刚石:2000℃高温和5.5万个大气压2、石墨

碳原子：SP2杂化；

键长：0.143nm

层间距：0.335nm；

维度：二维，平面结构。每个层可以看作一个大分子，石墨整体由许多相互平行的层片组成，两层间距0.335.m。对每个碳原子来说。它的四个电子只有三个与它在同平面层内另外三个碳原子形成共价键，一个电子是自由电子，整层形成一个大∏键，二层间就是靠∏键联结，引力较弱相当于分子间的范德华引力。故石墨层间很容易剥离，显各向异性，层与层之间很容易滑动，硬度较小。

电子、机电、通讯、印刷、航空航天、军事

石墨炸弹

是一种深灰色的有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨很软，有滑腻感。在纸上画过能留下深灰色的痕迹。此外，石墨还具有优良的导电性能。石墨3、富勒碳：C60（巴基球，足球烯）碳原子：SP2杂化键长：五边形的边为单键，键为.1455nm，六边形所共有的边为双键，键长0.1391nm。结构：12个正五边形和20个正六边形镶嵌而成的具有32个面和60个连接点的球状分子。维度：零维独特的结构和奇异的物理化学性富勒烯

1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto等人用激光作石墨的气化试验发现了C60，这是一种由60个碳原子组成的稳定原子簇。此后又发现了C50、C70、C240乃至C540，它们都是具有空心的球形结构，属于笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师BuckminsterFuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、笼碳等名称。

以C60为代表的富勒烯是继金刚石、石墨后发现的第3种碳的同素异形体。在富勒烯中，人们对C60研究得最深入。它独特的结构和奇异的物理化学性质备受国际科学界的关注，其研究不仅涉及到化学的各个分支，而且还涉及到生命科学、材料科学及固体物理等诸多领域。因此，C60是20世纪的重大科学发现之一。Kroto等人因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。C60

碳笼原子簇的应用尽管有相当多的报道，但仍处于研究阶段，其应用前景无法估量。从化学和材料科学的角度来看，它们都具有重要的学术意义和应用前景。

★富勒烯的应用前景

其中最早令人关注的是金属掺杂富勒烯的超导性。由于室温下富勒烯是分子晶体，面心立方晶格的C60的能带结构表明是半导体，能隙为1.5eV。但经过适当的金属掺杂后，都能变成超导体。掺杂富勒烯超导体有两个特点:一是与一维有机超导体和三维氧化物超导体不同，掺杂富勒烯超导体是各向同性非金属三维超导体;二是超导临界温度Tc比金属超导体高，如掺杂I的IxC60的Tc已达57K。据推测，若C540的合成获得突破，其掺杂物可能是室温超导体。4、卡宾碳，线型碳

碳原子：SP杂化；

维度：一维，线形结构，国外学术界称之为Carbyne(卡拜)，源自分子中的

共轭三键结构(C≡C)n。早在20世纪50年代就有人从理论上预言了线型碳分子的存在。1968年，前西德科学家在Riss火山口的石墨片麻岩中发现了与石墨层交替出现的薄膜线型碳，后来又在含碳球粒陨石和星际粉尘中发现了多种结晶形态的线型碳。由于理论上预言线型碳可能是一种室温超导体及超强纤维材料，因而很大程度上激励了各国研究者的研究热情。

线型碳的惰性及结构特征使其可能成为优于碳纤维的超强纤维。线型碳对生物体的亲合性优于高分子材料，可能成为性能优异的生物医学材料。有报道，俄罗斯科学家已将线型碳用作外科手术的缝合线及人造动物器官，并申请了发明专利。

线型碳可能提供一个非高温高压条件下合成金刚石的新途径。至于令人关注的常温超导性，尽管至今的实验结果令理论工作者失望，但须说明的是已报导的人工合成线型碳并非直线型的高分子线型碳。如果能够合成无限长链的直线型β－线型碳晶体，就可能解开这个谜。线型碳的应用前景5、碳纳米管碳原子：SP2杂化；结构：管状；维度：一维；分类：单壁和多壁碳纳米管；

碳纳米管的结构

纳米碳管有许多特异的物理性能。如纳米碳管的热导与金刚石相近，电导高于铜。但纳米碳管的应用研究还在探索阶段：

(1)高强度碳纤维

材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超级纤维”。

(2)复合材料

近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在2～50nm的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性能的新型材料。

★碳纳米管的应用(3)纳米电子器件由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。

研究人员还发现碳纳米管本身就具有比普通石墨材料更好的导电性，因此碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具，而且还能够用来制造导线本身。

美国已用纳米碳管成功地制备了纳米碳化钛、碳化铁、碳化铝等纳米棒，在纳米碳化铌棒中还发现了超导现象。将纳米管组装到有机高分子PCM－1中，其电导可提高几个数量级。

我国利用碳纳米管研制出新一代显示器。这种显示器不仅体积小、重量轻、省电、显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从－45～85℃都能正常工作。这一成果标志着我国在碳纳米管应用上取得了重要突破,并脐身于碳纳米管场发射研究领域的世界先进行列。

(4)催化纤维和膜工业碳纳米管还可作为其他金属和金属氧化物催化剂的载体，最大限度地提高催化剂的效率。碳纳米管“列阵”制成的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。碳单质的同素异形体的比较

分子轨道

结合方式

同素异形体种类

性能

SP3

四面体，三维

金刚石

不导热，不导电，强度大

SP2

平面，零维、一维或二维

石墨，富勒烯，碳纳米管

导热，导电，质软

SP线形，一维

卡宾

化学惰性,常温超导性(二)、微晶质炭的微观结构1、微晶质炭定义：以石墨状微晶为结构主体的游离态碳类物质。2、类石墨微晶：也是由多层SP2杂化的碳原子构成的六角形网状平面层叠而成与石墨结构类似的微晶炭结构。

类石墨微晶与石墨晶体结构的异同之处a）类石墨微晶中相邻的六角形网状平面（以下都简称为碳网平面）之间的距离（即层间距）比石墨晶体中的层间距大，有的达到0.35～0.37nm，（石墨层间距0.335nm）且不同部位的层间距不一定相同；b）类石墨微晶中碳网平面不全部是以平行的方式进行层叠排列的。c）碳网平面绕着C轴旋转了一定的角度，类石墨微晶中不同的碳网平面所旋转的角度可能不同，且不同的碳网平面在平面内发生了一定的平移。

活性炭属微晶质碳，根据X射线的研究，赖利(Riley)提出两种活性炭结构类型。第一种结构类型是由类似石墨的基本微晶构成，这些基本微晶多数由六角形排列的碳原子的平行层片组成，各层片的排列是不规则的、紊乱的，有人把这种排列称为“乱层结构”。第二种结构类型为不规则交联碳六角形空间格子，这是由类石墨层片扭曲造成的。3、类石墨微晶质碳：木炭、活性炭、焦炭、炭黑

木炭

活性炭

焦炭

炭黑性质用途炭黑黑色固体粉末制油墨、颜料等木炭灰黑色多孔固体，有吸附性作燃料、制活性炭等活性炭疏松多孔、吸附能力比木炭强作吸附剂，用于防毒面具焦炭浅灰色固体冶炼生铁4、类石墨微晶质炭的种类与用途（三）、无定形碳无定形碳（Amorphouscarbon）

碳单质的存在形式，除了金刚石、石墨和类石墨微晶质碳外，还有无定形碳。另一大类碳，非结晶体。沥青木炭、活性炭、焦炭、炭黑含类石墨微晶质碳和无定形碳比较碳与炭的区别：“碳”：“炭”：是元素的名称，是核电荷数为6的一类原子的总称。比如：碳元素、碳单质、含碳化合物、一氧化碳。（这儿不能用“炭”）表示由碳元素组成的某种单质—木炭、活性炭、焦炭、炭黑等。炭是黑炭类的统称：单质炭：微晶质炭、无定形碳一般在未指明具体单质时，习惯上用碳，如“炽热的碳”“当碳燃烧时”。（四）、微晶质炭的微观组成微晶质炭基本微晶：类石墨微晶

无定形炭没有形成微晶的单层碳网平面

未完全炭化的前驱体热解残留物，即前驱体或前驱体在炭化过程中形成的中间产物类石墨微晶是构成微晶质炭材料的基本微晶类石墨微晶的排列紊乱排列较有序排列难石墨化炭易石墨化炭在热处理温度超过3000℃，仍然难以石墨化，如竹炭、木炭和相应的活性炭：天然高分子基

在2800～3000℃的热处理温度，类石墨微晶的尺寸急剧增大，类石墨微晶在很大程度上接近于石墨晶体

，如石油焦炭、炭黑和沥青：合成高分子基

三、活性炭的微晶质结构1、类石墨微晶是构成微晶质炭材料的基本微晶

70年代以来用电子显微镜研究炭的细微结构得到，在1000℃左右热处理焦炭、木炭之类的炭，它们具有易石墨化碳和难石墨化碳两种结构。易石墨化碳是直径约1.0nm，碳层面4-5枚层积成基本单位，此基本单位平均在2-3个宽大“波形”即在1000nm范围内接近平行地排列成构造。难石墨化碳的碳层面直径约1.0nm，积层高也是1.0nm左右，有方向排列的领域只5.0-15.0nm。碳层面间距离都是平均。0.43-0.44.nm，在0.36-0.53nm之间变动。石墨、炭黑、活性炭的x衍射图，如图它们有相似于石墨的微晶结构，由于结晶构造不完善，微晶边缘还残留着链烃和环烃，基本微晶大小或长度，随原料、炭化温度和活化条件不同而变化，

炭微晶结构的边缘早期用X-射线研究炭类构造的有：德拜Debye,1917年)、浅源(1923年)、霍夫曼(Holman,1926年)、大岛、福田(1929年)。贝拉登(Blayden),赖利(Riley),泰勒(Taylor)于1939年观察了纤维素400-1300℃加热时，微晶大小的变化。2、活性炭的微观组成和结构活性炭（与微晶质炭类似）微观组成具有乱层结构的基本微晶：类石墨微晶无定形碳未组成类石墨微晶的非组织碳

易石墨化碳难石墨化碳英国的富兰克林(Franklin)认为，除了金刚石以外的所有碳质材料可分成石墨化型和非石墨化型两类。非石墨化物料炭化时，在排列无序的相邻基本微晶之间发生强烈的交联，结果形成一种不易流动的坚硬物质，由此形成的炭是坚硬的，微孔结构也相对比较发达，甚至在非常高的温度下也保持这种微孔结构。而石墨化型的物料从炭化一开始基本微晶就易变动，交联也比较弱，形成的炭比较软其空隙结构比较不发达，含有较大量的平行石墨层的微晶趋于互相平行地排列，煤质活性炭基本上属非石墨化型的碳。

3、活性炭的炭化程度对其微观结构和组

成的影响石墨化程度提高，类石墨微晶碳在活性炭中所占的比例提高；微晶尺寸参数变大

非组织碳所占的比例下降，氢、氧及其它杂原子的含量下降，反应活性下降。炭化程度的提高：炭化最终温度提高

据随炭化温度升高，固定碳含量增加。芳化度和缩合度增大，而比电阻率却大大地降低，相当于有机半导体。木炭用气体法活化，随烧失率增大，先脂肪族、后芳香族碳格子烧失，而且沿徽晶高度方向比直径方向烧失的快，结果微晶平均统计厚度增大。从雏晶到活性炭微晶的完善过程，微孔、中孔逐渐增多，吸附能力增大。哈斯勒(Herder)还提出了各种温度下的微晶大小图温度高，微晶大上一堂课的主要内容游离态碳的存在方式金刚石

\石墨，富勒烯，碳纳米管

\卡宾

微晶质炭：以石墨状微晶为结构主体的游离态碳类物质。类石墨微晶：微晶质炭的微观组成活性炭的微观组成和结构易石墨化碳\难石墨化碳炭化程度的提高：炭化最终温度提高第三节、活性炭的孔隙结构由于活性炭基本微晶的排列是无规则的、紊乱的，各微晶子间才有许多形状不同、大小不等的空隙，因此便形成了活性炭的各种空隙。这些空隙最大的可用光学显微镜看见，有的却小得与分子一样大小。活性炭的主要性能是吸附性吸附性的关键是活性炭发达多样的孔隙下面重点讨论活性炭的孔隙结构一、活性炭孔隙结构

活性炭的孔隙结构包括两个方面的内容：孔隙的形状和大小。

目前，已有很多的方法对活性炭中孔隙的大小进行解析，尽管解析过程还需要很多的假设，导致的误差也还比较大；而活性炭中孔隙的形状还没有一种有效的方法进行观察和研究，因此人们对它的了解以及它的形成规律和对活性炭应用过程的影响还远未达到对孔隙大小的了解程度。活性炭中孔隙大小和形状的多样性和复杂性是导致活性炭吸附性能非常复杂的主要原因。圖:活性碳的孔洞分佈

二、活性炭中孔隙的形状活性炭中孔隙的形状特性多样性和不规则性表

现有两端开口的毛细管状，或一端封闭的进口缩小形状的孔隙，如墨水瓶状，也有两个平面之间的裂口呈现规则形状的狭缝孔、V形孔、锥形孔和其它不规则形状等

复杂性三、活性炭的孔隙大小、分类和各类孔隙的特点和性质根据空隙的大小，分为大孔、微孔和介于大孔微孔之间的中孔(又称过渡孔)。1972年国际精细应用化学联合会(IUPAC)根据苏联学者杜宾宁的划分对活性炭的空隙作了以下的分类:活性炭的孔隙大小和分类

杜比宁分类法的依据：毛细凝聚理论

IUPAC分类法的依据：参考了杜比宁理论

IUPAC分类法

微孔

亚微孔过渡孔大孔孔隙直径或孔宽小于2nm亚微孔：1.4-3.2nm微孔：0.5-1.4nm超微孔：小于0.5nm孔隙直径或孔宽小于2-50nm孔隙直径或孔宽：大于50nm杜比宁分类法

微孔中孔大孔孔隙直径或孔宽小于2nm孔隙直径：2nm~100nm孔隙直径大于100nm孔隙各有它们的特殊作用1.微孔：所谓微孔，就是在相当于滞后开始时的相对压力下已经被完全充填的那些孔隙。微孔的半径r小于15-16A，它们相当于被吸附分子的大小。微孔的容积为0.20-0.60cm3/g，约占活性炭总比表面积的90%以上，即数百m2/g,甚至超过1000.2/g，吸附作用主要靠它。对吸附来说，最重要的是微孔，由于微孔有很大的孔容和比表面积，孔容0.2-0.6cm3/g；比表面积可达900-1200m3/g，占总比表面积的95%以上，所以它在很大程度上决定着活性炭的吸附能力。2.中孔（过渡孔）中孔：是那些能发生毛细凝聚使被吸附物质液化而形成弯液面，从而在等温线上出现滞后回线的孔隙。因此，中孔大小在有效半径15A<r<1000-2000A的范围内，它们要比微孔的半径大10-100倍。一般活性炭中孔（过渡孔）可以分布在4.0-20nm，它的容积在0.02-0.1cm3/g，占总比表面积的5%，一般在20-70m2/g。中孔（过渡孔）的有效半径要比被吸附分子大得多，它的作用是捕捉有机蒸汽，为吸附物分子进人微孔的通道，用来吸附大分子物质，常用于溶液的脱色如用ZnCl2法制得过渡孔特别发达的糖用炭.以除去溶液中分子较大的有色杂质或呈胶体分散的颗粒。化学法制得活性炭的过渡孔容积可达0.7cm3/g，它的比表面积达200-4502m/g。中孔的作用：①在足够高的压力下按毛细凝聚的机理吸附物质蒸气;②作为被吸附物质达到微孔的通道;③在液相吸附中对大分子的物质有很好的吸附效果。大孔的孔容通常在0.2-0.8cm3/g，比表面积最小0.5-2.0m3/g，主要起通道作用。当活性炭用作催化剂载体时，催化剂主要是沉积在中孔和大孔内，但也有沉积在微孔内的。3.大孔活性炭的大孔容积通常在0.2-0.8cm3/g，它的比表面积只0.5-2m2/g。半径大于1000-2000nm的孔隙。在这样大的孔隙内技术上是不能实现毛细凝聚的。比表面的数值这样小，表明它在吸附中不会起明显作用，一般都不希望有，因它会降低活性炭的充填比重和强度。但是，这些大孔起着输送渠道的作用，当活性炭用作催化剂载体时，较大的孔隙作为催化剂沉积的场所可能是有用的。

细孔对吸附物分子大小的筛分作用：活性炭在使用上表现出对口性或选择性，即某一型号活性炭具有某种细孔分布，适用于某种吸附物的场合口如吸附物能进入的最小细孔半径：碘1.0nm

亚甲基蓝1.5nm

高锰酸钾1.0nm

糖蜜2.8nm

赤藓红1.0nm用实物脱色力指标，可以间接反映活性炭的孔隙结构活性炭中各类孔隙的特点和性质

孔隙种类比表面积比孔容积吸附理论作用微孔活性炭的比表面积90％以上

0.2－0.7cm3/g容积充填气相吸附的主要场所过渡孔20－70m2/g0.02－0.10cm3/g多分子层和毛细凝聚

液相吸附，输送作用，添加催化剂

大孔0.5－2m2/g0.30－0.35cm3/g多层吸附

输送通道

四、活性炭孔隙结构的表征方法(一)密度

多孔质材料的密度表示方法堆积密度或充填密度，B以规定条件下试样的充填体积为基准所表示的密度

ρB=m/V充＝m/(V真＋V孔＋V隙)颗粒密度

或汞置换密度，

p以规定条件下试样的颗粒体积为基准所表示的密度

,ρp=m/V颗＝m/(V真＋V孔)真密度

或绝对密度，ρt

置换密度或有效密度、实际密度

以规定条件下试样的无孔真实体积为基准所表示的密度,

ρt=m/V真

液体渗入活性炭的孔隙中的方法测定活性炭的密度

(二)、比孔容积和孔隙率

1、比孔容积

：1g活性炭所含有的颗粒内部孔隙的总体积称作比孔容积，简称为比孔容。比孔容大的活性炭孔隙结构发达。Vg=1/ρp（棵）－1/ρt（真）

2、孔隙率：活性炭颗粒内部孔隙体积占颗粒体积的比率，常用百分率表示。孔隙率大的活性炭孔隙结构发达。

θ＝Vg/V颗=1－(ρp/ρt)

(三)、比表面积

比表面积：1g活性炭所具有的颗粒外表面积与颗粒内部孔隙的内表面积之总和

。

活性炭的比表面积是所有吸附剂中最大的，通常为800－1500㎡/g，但3000㎡/g也能制备（高比表面）。

测试方法：液氮温度下吸附氮气的BET法是常用的方法之一

F-Sorb3400全自动比表面积及孔径分析仪

(四)、平均孔隙半径

平均孔隙半径表示活性炭孔隙半径大小的平均值。它能在一定程度上宏观地反映活性炭孔隙的大小。

r=n·Vg/s

式中：r为平均孔隙半径；Vg

为比孔容积；S为比表面积；

n为孔隙形状系数：球形孔隙n＝3，圆筒状孔隙n=2，狭缝性孔隙n=1。

(五)、孔径分布

孔径分布表示随着孔隙有效半径大小而变化的孔容积分布状况，是掌握活性炭孔隙结构的最佳手段。

测试方法活性炭孔径分布的测定方法有压汞法（半径大于10nm以上的孔隙）、毛细凝聚法（半径2～30nm的孔隙）、X射线小角度散射法（小于0.5nm的孔隙）、电子显微镜法及分子筛法等。

活性炭的孔径分布(-10.),(n1压汞法细孔分布曲线：一般微孔、过渡孔用N吸附法测定，而大孔用压汞法(加压充填量)来测定五、活性炭孔隙结构的形成1、形成过程活性炭孔隙结构的形成前驱体

炭化

活化

活性炭烧蚀机制铸型机制类石墨微晶的形成及难石墨化炭的形成，使微晶之间产生了大量的孔隙2、多孔性结构产生的原理

⑴、通过微细的一次粒子凝聚而形成二次粒子这样的物理现象在加压或提高温度时可以得到促进。特别是在使用无机质氧化物或盐类时，在固体表面附近的离子大概能够容易移动，受到吸附水的帮助使粒子互相凝结。这种凝聚固体具有细孔容积，在粒体内形成粒子间孔隙，其容积占表观容积的颇大部分。在许多情况下，能测这类细孔的大小，其形状也和一次粒子有关。细孔的形状大多比较简单，细孔分布也不太广。

⑵、母体的部分性除去采用这种形式产生多孔性结构的事例很多。如果通过选择性的溶解或蒸发把具有复合结构母体的一种成分部分性地除去，就产生了活性固体。通过把碳部分性地氧化燃烧除去固体的一部分就是这种例子。在这种情况下，氧化反应在碳的内部沿着孔道发生，孔道直径逐渐变大，长度也变长。由水蒸汽活化法制造活性炭被认为是采用这种形式。由药品活化制造活性炭时也部分地采取这种形式。

⑶、伴随着发生气体的固体的热分解

通过下式所表示的那种复杂的过程，在形成新固相B时，从固体A形成数个微细的结晶体B，比表面积相应地增加。一般是:

固体(A)~固体(B)十气体该生成物的密度比母体的密度增加，因此发生收缩并使固体B的微晶体边缘变得容易形成裂缝。由气体活化制造活性炭时部分性按照这种形式，在药品活化法中也能见到这种形式第四节、活性炭的化学结构一、活性炭的元素组成

碳是活性炭的主要元素成分。以扣除灰分后的总重量为基准计算，通常碳含量在90％以上，氧含量在5％以下，氢含量小于2％。灰分中常见的金属元素有钙、镁、硅、锰、铁、铝、钾、钠等，常见的非金属元素有磷、氮、硫、砷、硼等。它们在活性炭中的存在状态对活性炭在催化、催化剂载体、电池的电极方面的应用具有较大的影响。酸洗和水洗是去除灰分的主要工业方法。氯化锌法生产的活性炭还含有少量的氯灰分的绝大部分能溶于酸，能用酸洗、水洗除去。如一种含灰分4.3%的活性炭用蒸馏水抽提后灰分减少到3.1%，进一步用醋酸抽提用蒸馏水洗涤，灰分减到1.7%,最后用氢氟酸抽提燕馏水洗涤，灰分只剩0.2%。工业上一般用盐酸处理。但酸洗会增加活性炭表面含氧络合物-活性炭的极性增加。二、活性炭的表面化学结构1、非碳元素的存在状态：二种

一种是与富于反应性的类石墨微晶端面上的碳原子或单个碳网平面边缘上的碳原子结合，形成表面化合物；

第二种是以杂原子的形态进入类石墨微晶或游离的单个碳网平面的结构之中。

活性炭中的氧和氢大部分是以化学键和碳原子相结合形成有机官能团，它是活性炭组成的有机部分。松烟和活性炭中的氧含量较多，而且含有各种形态结合的氧，而焦炭和炭黑中几乎不含以醚类形式结合的氧。在松烟和炭黑试样中，常含有挥发物质，这些物质能和重氮甲烷和格林试剂起反应，所以，它的数值有偏大的情况。

大部分的氢是同碳原子直接结合的。据研究，炭中的氧、氢和其他原子是和基本微晶的边缘或角上的碳原子相结合，因为这些碳原子的化合价没有被周围的碳原子所饱和，因此，它们的反应性较大。同祥，在晶格有缺陷的位置L的碳原子，例如在扭歪的或不完整的碳的六角环上的碳原子，也有更大的反应性，因而趋向于和氧、氢等元素结合

2、活性炭的表面氧化物的形成和种类

表面氧化物的形成：炭在活化时所含氢、氧不断减少，同时炭在活化过程也会吸附一些外来的氧，因此，可以认为，活化和对氧的吸附是同时进行的。活性炭吸附的氧，一部分是化学吸附，形成表面氧化物，当脱附时是以二氧化碳或一氧化碳的形式释放出来，这是由于生成的表面氧化物发生热分解。表面氧化物对活性炭吸附酸或碱影响很大，如把活性炭加入电解质溶液中，能引起溶液酸碱度的变化，这就是很好的说明。表面氧化物的种类：根据对活性炭表面化学进行的研究，推测表而氧化物分为A、B、C三种模式：酸性氧化物（氧化物C）和碱性氧化物（氧化物A和B)在活性炭材料表面可能存在下面含氧官能团：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、醌基、内酯基、乳醇基、醚基。

氧化物A是在700℃以上生成的，它在氧分压很低情祝下是稳定的。氧化物B是在300℃以上生成的，在700℃以上时它同二氧化碳反应放出一氧化碳。在液相吸附时，它吸收酸的能力比氧化物A大，在一般活性炭中，常含有这种类型的表面氧化物氧化物C是由氧化物B转变来的，在300-850℃

，由于氧化物B的分解，氧化物C的含量增加。它对压力稳定，能吸收碱。但由于氧化物B的不完全分解所形成的分子内化合物能吸收酸。总之，氧化物A和B属碱性氧化物，氧化物C属酸性氧化物。3、活性炭材料表面官能团

活性炭材料在制备过程中由于灰分和其他杂原子的存在，使其基本结构产生缺陷和不饱和价，氧和其他杂原子在活化过程中可以吸着于这些缺陷上，形成各种官能团，因而使活性炭材料产生了各种吸附特性.对活性炭材料产生重要影响的化学官能团主要是含氧官能团和含氮官能团。活性炭材料表面可能存在下面几种含氧官能团：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、醌基、内酯基、乳醇基、醚基，还有酰胺、酰亚胺、内酰胺、吡咯和嘧啶等含氮官能团。表面官能团可以通过与重氮甲烷的反应，与格林试剂的反应，对酸、碱的吸附，红外线吸收光谱、极谱、核磁共振以及电子自旋共振等方法进行检验。

活性炭的表面官能团种类：是以炭黑的表面官能团的研究结果作为基础的。炭黑的表面官能团的种类为羧基、酚羟基等酸性官能团，羰基和醌基等中性官能团，以及碱性官能团。其中碱性官能团的了解还不清楚。炭的表面不仅可以和氧结合，而且也可能和其它的元素结合，因此，除含氧官能团外，也存在含硫、氢、氯等官能团。

表面含氧官能团进行定量滴定：利用表面含氧官能团的酸碱性强弱，其根据如下：（1）与碳酸氢钠进行中和反应的官能团羧基Ⅰ（Ⅰa＋Ⅰb）；（2）与碳酸钠能进行中和反应的官能团羧基和内酯型羟基（Ⅰ+Ⅱ）;(3)与氢氧化钠能进行中和反应的官能团羧基、内酯型羟基和酚羟基（Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ）；（4）与乙醇钠能进行中和反应的官能团羧基、内酯型羟基、酚羟基、醌基或羰基（Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋Ⅳ）。

第五节、活性炭的吸附性能活性炭是广泛使用的吸附剂在气相或液相中可以有效地吸附其中某些气体和物质，达到分离和提质的目的，活性炭的这一特性是由其发达的孔隙结构和巨大的比表面积决定的。一般比表面积大的吸附能力也大，但比表面积相同的活性炭，吸附能力也可能有很大差别，这是由于活性炭的孔隙形状和孔径分布、表面化学性质和灰分不同等原因所致。首先讨论有关吸附的概念一、有关吸附的几个概念1、吸附：当两相接触时，两相的界面上出现一个组成不同于两相中任何一相的区域的现象，即两相界面上的物质的重新分配。2、吸附剂：能将其它物质聚集到自己表面上的物质。常用吸附剂主要有：活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。3、吸附质：被聚集在吸附剂表面上的物质；通常是液体或气体中被吸附的物质4、脱附或解吸：吸附在吸附剂表面上的物质脱离吸附剂表面的过程。5、吸附类型固—液界面上的吸附固—气界面上的吸附6、吸附平衡

(定义

)

当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度C叫平衡浓度。7.吸附量的表示

吸附量通常有两种表示方法：(2)单位质量的吸附剂所吸附液体物质的量。(1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积。

体积要换算成标准状(