活性炭是由木質(zhì)、煤質(zhì)和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面化學(xué)基團(tuán)，特異性吸附能力較強(qiáng)的炭材料的統(tǒng)稱。

通常為粉狀或粒狀具有很強(qiáng)吸附能力的多孔無(wú)定形炭。由固態(tài)碳質(zhì)物（如煤、木料、硬果殼、果核、樹(shù)脂等）在隔絕空氣條件下經(jīng)600～900℃高溫炭化，然后在400～900℃條件下用空氣、二氧化碳、水蒸氣或三者的混合氣體進(jìn)行氧化活化后獲得。

炭化使碳以外的物質(zhì)揮發(fā)，氧化活化可進(jìn)一步去掉殘留的揮發(fā)物質(zhì)，產(chǎn)生新的和擴(kuò)大原有的孔隙，改善微孔結(jié)構(gòu)，增加活性。低溫（400℃）活化的炭稱L-炭，高溫（900℃）活化的炭稱H-炭。H-炭必須在惰性氣氛中冷卻，否則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)-炭。活性炭的吸附性能與氧化活化時(shí)氣體的化學(xué)性質(zhì)及其濃度、活化溫度、活化程度、活性炭中無(wú)機(jī)物組成及其含量等因素有關(guān)，主要取決于活化氣體性質(zhì)及活化溫度。

活性炭的含炭量、比表面積、灰分含量及其水懸浮液的pH值皆隨活化溫度的提高而增大?；罨瘻囟扔?，殘留的揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)愈完全，微孔結(jié)構(gòu)愈發(fā)達(dá)，比表面積和吸附活性愈大。

活性炭中的灰分組成及其含量對(duì)炭的吸附活性有很大影響。灰分主要由K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SO3、Cl-等組成，灰分含量與制取活性炭的原料有關(guān)，而且，隨炭中揮發(fā)物的去除，炭中的灰分含量增大。

截止2007年，世界活性炭年產(chǎn)量達(dá)900kt，其中煤基(質(zhì))活性炭占總產(chǎn)量的2/3以上；而中國(guó)年產(chǎn)量已突破400kt，居世界首位，美國(guó)、日本等也是世界主要的活性炭產(chǎn)出國(guó)。 

活性炭是一種經(jīng)特殊處理的炭，將有機(jī)原料（果殼、煤、木材等）在隔絕空氣的條件下加熱，以減少非碳成分（此過(guò)程稱為炭化），然后與氣體反應(yīng)，表面被侵蝕，產(chǎn)生微孔發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu) （此過(guò)程稱為活化）。由于活化的過(guò)程是一個(gè)微觀過(guò)程，即大量的分子碳化物表面侵蝕是點(diǎn)狀侵蝕 ，所以造成了活性炭表面具有無(wú)數(shù)細(xì)小孔隙。活性炭表面的微孔直徑大多在2～50nm之間，即使是少量的活性炭，也有巨大的表面積，每克活性炭的表面積為500~1500m2，活性炭的一切應(yīng)用，幾乎都基于活性炭的這一特點(diǎn)。

根據(jù)活性炭的外形，通常分為粉狀和粒狀兩大類。粒狀活性炭又有圓柱形、球形、空心圓柱形和空心球形以及不規(guī)則形狀的破碎炭等。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多活性炭新品種，如炭分子篩、微球炭、活性炭納米管、活性炭纖維等。

活性炭是由石墨微晶、單一平面網(wǎng)狀碳和無(wú)定形碳三部分組成，其中石墨微晶是構(gòu)成活性炭的主體部分。活性炭的微晶結(jié)構(gòu)不同于石墨的微晶結(jié)構(gòu)，其微晶結(jié)構(gòu)的層間距在0.34～0.35nm之間，間隙大。即使溫度高達(dá)2000 ℃以上也難以轉(zhuǎn)化為石墨，這種微晶結(jié)構(gòu)稱為非石墨微晶，絕大部分活性炭屬于非石墨結(jié)構(gòu)。石墨型結(jié)構(gòu)的微晶排列較有規(guī)則，可經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為石墨。非石墨狀微晶結(jié)構(gòu)使活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔隙結(jié)構(gòu)可由孔徑分布表征。活性炭的孔徑分布范圍很寬，從小于1nm到數(shù)千nm。有學(xué)者提出將活性炭的孔徑分為三類：孔徑小于2nm為微孔，孔徑在2～50nm為中孔，孔徑大于50nm為大孔。

活性炭中的微孔比表面積占活性炭比表面積的95%以上，在很大程度上決定了活性炭的吸附容量。中孔比表面積占活性炭比表面積的5%左右，是不能進(jìn)入微孔的較大分子的吸附位，在較高的相對(duì)壓力下產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚。大孔比表面積一般不超過(guò)0.5m2/g，僅僅是吸附質(zhì)分子到達(dá)微孔和中孔的通道，對(duì)吸附過(guò)程影響不大。

活性炭?jī)?nèi)部具有晶體結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)，活性炭表面也有一定的化學(xué)結(jié)構(gòu)?；钚蕴课叫阅懿粌H取決于活性炭的物理（孔隙）結(jié)構(gòu)，而且還取決于活性炭表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在活性炭制備過(guò)程中，炭化階段形成的芳香片的邊緣化學(xué)鍵斷裂形成具有未成對(duì)電子的邊緣碳原子。這些邊緣碳原子具有未飽和的化學(xué)鍵，能與諸如氧、氫、氮和硫等雜環(huán)原子反應(yīng)形成不同的表面基團(tuán)，這些表面基團(tuán)的存在毫無(wú)疑問(wèn)地影響到活性炭的吸附性能。X 射線研究表明，這些雜環(huán)原子與碳原子結(jié)合在芳香片的邊緣，產(chǎn)生含氧、含氫和含氮表面化合物。當(dāng)這些邊緣成為主要的吸附表面時(shí)，這些表面化合物就改變了活性炭的表面特征和表面性質(zhì)?；钚蕴勘砻婊鶊F(tuán)分為酸性、堿性和中性3種。酸性表面官能團(tuán)有羰基、羧基、內(nèi)酯基、羥基、醚、苯酚等，可促進(jìn)活性炭對(duì)堿性物質(zhì)的吸附；堿性表面官能團(tuán)主要有吡喃酮（環(huán)酮）及其衍生物，可促進(jìn)活性炭對(duì)酸性物質(zhì)的吸附。

磷酸等酸性活化劑制備的活性炭表面以酸性基團(tuán)為主 ，對(duì)堿性物質(zhì)吸附較好；KOH、K2CO3等堿性活化劑制備的活性炭表面以堿性基團(tuán)為主，適合于吸附酸性物質(zhì)；而采用CO2、H2O等物理活化方法制備的活性炭表面官能團(tuán)總體呈中性。

活性炭吸附是指利用活性炭的固體表面對(duì)水中的一種或多種物質(zhì)的吸附作用，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的?；钚蕴康奈侥芰εc活性炭的孔隙大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，顆粒越小，孔隙擴(kuò)散速度越快，活性炭的吸附能力就越強(qiáng)。
　　吸附能力和吸附速度是衡量吸附過(guò)程的主要指標(biāo)。吸附能力的大小是用吸附量來(lái)衡量的，吸附速度是指單位時(shí)間內(nèi)單位重量的吸附劑所吸附的量。在水處理中，吸附速度決定了吸附劑與污水的接觸時(shí)間。

活性炭發(fā)生的主要是物理吸附，大多數(shù)是單層分子吸附，其吸附量與被吸附物的濃度服從朗格繆爾單分子層吸附等溫方程：

式中：

θ（覆蓋度）——一定溫度下，吸附分子在固體表面上所占面積占表面總面積的分?jǐn)?shù)；

ρ——吸附質(zhì)在氣相的分壓；

b=k1/k2——吸附與脫附的速度之比；

α——?dú)怏w在固體表面上的吸附量。

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將活性炭按照兩部分進(jìn)行分類：一部分按制造使用的主要原材料，另一部分按制造使用的原材料及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品形狀組合分類。

活性炭按制造使用的主要原材料分為四類：煤質(zhì)活性炭、木質(zhì)活性炭、合成材料活性炭和其他類活性炭。按制造使用主要原材料及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品形狀組合分類分為16種類型。其中，煤質(zhì)活性炭分為：柱狀煤質(zhì)顆?；钚蕴?、 破碎煤質(zhì)顆?；钚蕴俊⒎蹱蠲嘿|(zhì)顆?；钚蕴俊⑶蛐蚊嘿|(zhì)顆?；钚蕴?。木質(zhì)顆?；钚蕴糠譃椋褐鶢钅举|(zhì)顆粒活性炭、破碎狀木質(zhì)顆?；钚蕴?、粉狀木質(zhì)顆粒活性炭、球形木質(zhì)顆?；钚蕴?。合成材料活性炭分為：柱狀合成材料顆?；钚蕴?、破碎狀合成材料顆?；钚蕴俊⒎蹱詈铣刹牧项w?；钚蕴?、成形活性炭、球形合成材料顆?；钚蕴俊?布類合成材料活性炭（炭纖維布）、氈類合成材料活性炭（炭纖維氈）。其他類活性炭，指除上述三種類型活性炭外，由其他原材料（如煤瀝青、石油焦等）制備的活性炭，這類活性炭，在產(chǎn)品形狀分類中，暫列了瀝青基微球活性炭。詳細(xì)分類見(jiàn)下表：

應(yīng)用領(lǐng)域

（1）處理含油污水

吸附法進(jìn)行油水分離是利用親油性材料，吸附廢水中的溶解油及其它溶解性有機(jī)物。最常用的吸油材料是活性炭，可吸附廢水中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭對(duì)油的吸附容量有限（一般為30～80mg/g)），成本高，再生困難，通常只用作含油廢水多級(jí)處理的最后一級(jí)處理，出水含油質(zhì)量濃度可降至0.1～0.2mg/L，由于活性炭對(duì)水的預(yù)處理要求高，而且活性炭的價(jià)格昂貴，因此在廢水處理中，活性炭主要用來(lái)去除廢水中的微量污染物，以達(dá)到深度凈化的目的。 煉油廠含油廢水，先經(jīng)隔油、氣浮和生物處理，再經(jīng)砂濾和活性炭過(guò)濾深度處理。廢水的含酚量從0.1 mg/L（經(jīng)生物處理后）降至0.005mg/L，含氰量從0.19mg/L降至0.048mg/L，COD從85mg/L降至18mg/L。

（2）處理染料廢水

染料廢水成分復(fù)雜、水質(zhì)變化大、色度深、濃度大，處理困難。處理方法主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中活性炭能有效地去除廢水的色度和COD。活性炭處理染料廢水在國(guó)內(nèi)外都有研究，但大多數(shù)是和其它工藝耦合，活性炭吸附多用于深度處理或?qū)⒒钚蕴孔鳛檩d體和催化劑，單獨(dú)使用活性炭處理較高濃度染料廢水的研究很少。

活性炭對(duì)染料廢水有良好的脫色效果。染料廢水的脫色率隨溫度的升高而增加，而pH值對(duì)染料廢水的脫色效果沒(méi)有太大的影響。在最佳吸附工藝條件下，酸性品紅、堿性品紅廢水的脫色率均>97%，出水的色度稀釋倍數(shù)≤50倍，COD<50mg/L，達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）處理含汞廢水

重金屬污染物中以汞的毒性最大，當(dāng)汞進(jìn)入人體內(nèi)，就會(huì)破壞酶和其它蛋白質(zhì)的功能并影響其重新合成?；钚蕴坑形焦秃衔锏男阅埽侥芰τ邢?，只適宜于處理含汞量低的廢水。如果含汞的濃度較高，可以先用化學(xué)沉淀法處理，處理后含汞約1mg/L，高時(shí)可達(dá)2~3mg/L，然后再用活性炭做進(jìn)一步的處理。

（4）處理含鉻廢水

活性炭表面存在大量的含氧基團(tuán)如羥基（-OH）、羧基（-COOH）等，它們都有靜電吸附功能，對(duì)六價(jià)鉻產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，能有效地吸附廢水中的六價(jià)鉻，吸附后的廢水可達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

利用活性炭處理含鉻廢水是活性炭對(duì)溶液中六價(jià)鉻的物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)還原等綜合作用的結(jié)果?；钚蕴刻幚砗t廢水，吸附性能穩(wěn)定，處理效率高，操作費(fèi)用低，有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，用活性炭處理含鉻廢水已得到廣泛應(yīng)用。

（5）催化和負(fù)載催化劑

石墨化炭和無(wú)定型炭是活性炭晶型的組成部分，因?yàn)榫哂胁伙柡玩I，所以表現(xiàn)出類似結(jié)晶缺陷的功能。活性炭因?yàn)榻Y(jié)晶缺陷的存在而被作為催化劑廣泛應(yīng)用，同時(shí)，因?yàn)槠渚哂写蟮谋缺砻娣e及多孔結(jié)構(gòu)，活性炭還被廣泛用作催化劑載體。

采用γ射線處理商品活性炭，此過(guò)程可以在不影響活性炭物理性質(zhì)的條件下改變活性炭表面化學(xué)特性。通過(guò)紫外線輻射和模擬太陽(yáng)光輻射研究了光催化中活性炭表面化學(xué)所發(fā)揮的作用。結(jié)果表明，無(wú)論是紫外線還是模擬太陽(yáng)光輻射，活性炭都可以發(fā)揮光催化作用。通過(guò)測(cè)定紫外線/活性炭和模擬太陽(yáng)光/活性炭體系中羥基自由基和超氧陰離子自由基表明，由活性炭充當(dāng)光催化劑和光誘導(dǎo)反應(yīng)物可以有效消除雜質(zhì)對(duì)反應(yīng)的影響，體系中羥基自由基和超氧陰離子自由基的獲得遠(yuǎn)高于單純采用光輻射。這為發(fā)展自由基化學(xué)和尋找新的自由基反應(yīng)提供了新的可能。

活性污泥因?yàn)槌煞謴?fù)雜，導(dǎo)致其厭氧腐化過(guò)程緩慢。有學(xué)者將粒狀活性炭用于活性污泥的厭氧腐化，使活性污泥腐化過(guò)程中甲烷產(chǎn)率提高了17.4%，同時(shí)使活性污泥腐化率提高了6.1%。另外在活性炭表面引入-SO3H，對(duì)合成甲基叔戊基醚過(guò)程有催化作用，該催化劑制備方便，催化活性高且不易分解，體現(xiàn)出改性活性炭催化劑的巨大應(yīng)用潛能。有研究表明采用粒狀活性炭負(fù)載臭氧體系使腐殖酸的催化氧化率達(dá)到48.1%，為腐殖酸的降解提供了新的途徑。通過(guò)活性炭負(fù)載氧化鋁作為改性活性炭糊電極用于苯酚的電催化氧化研究，表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性，同時(shí)具有相對(duì)較低的檢出限和較寬的檢測(cè)范圍。

（6）臨床醫(yī)用

活性炭由于其良好的吸附性能，可用于急性臨床胃腸解毒急救，其具有不被胃腸道吸收且無(wú)刺激性、可以直接口服、簡(jiǎn)單便利等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，活性炭也被用于血液凈化和癌癥治療等。結(jié)腸直腸癌是常見(jiàn)的惡性腫瘤。研究表明，以納米活性炭作示蹤劑可以有效增加結(jié)腸直腸癌患者淋巴結(jié)檢測(cè)次數(shù)?；钚蕴坷w維具有兩種特性：一是吸附性能；二是遠(yuǎn)紅外放射性能。將銀吸附在活性炭纖維上，用于治療慢性創(chuàng)面患者，在接受治療的數(shù)月內(nèi)傷口沒(méi)有任何不良反應(yīng)。有學(xué)者以椰殼活性炭為載體負(fù)載加替沙星，結(jié)果表明，其對(duì)加替沙星負(fù)載能力較好，可以用作加替沙星的緩釋載體。對(duì)選用撲熱息疼和布洛芬作為模型藥物，采用活性炭作為藥物載體的研究表明，活性炭顆粒表現(xiàn)出非常低的細(xì)胞毒性，該研究為活性炭作為無(wú)定型藥物載體提供了支持。有學(xué)者單純利用每日兩次直腸局部注入高活性粒狀活性炭來(lái)治療簡(jiǎn)單的慢性肛瘺，結(jié)果表明，這種治療方法效果良好、安全性高，并且相較于其它治療方法，病人更容易接受，為慢性肛瘺的治愈提供了新的策略。

（7）用于超級(jí)電容器電極

超級(jí)電容器主要由電極活性材料、電解液、集流體和隔膜等部分組成，其中電極材料直接決定著電容器性能的高低。活性炭具有比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)及容易制備等優(yōu)點(diǎn)，成為了超級(jí)電容器最早應(yīng)用的碳質(zhì)電極材料?？赏ㄟ^(guò)對(duì)傳統(tǒng)活性炭的改性，制備新型及高性能的活性炭電極材料。以聚偏二氯乙烯為前驅(qū)體，只通過(guò)炭化處理而無(wú)需其它后處理制備出比表面積1200m2·g-1、孔容0.48cm3·g-1的多孔炭，其最高比電容為262F·g-1，電極密度在0.8g·cm-3左右，體積比電容可達(dá)214F·cm-3，是一種有發(fā)展前途的超級(jí)電容器電極材料。另有研究將廢棄茶葉炭化后再用KOH活化，制備了具有無(wú)定型特征的活性炭，其具有比表面積介于2245～2184m2·g-1的多孔結(jié)構(gòu)，用其作為超級(jí)電容器電極，以KOH水溶液作為電解液，比電容高達(dá)330F·g-1，充電放電2000次后電容略有下降，為初始電容的92%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。若使用蓮花花粉作為碳源和自模板，CO2為活化劑制備活性炭微粒，制備的活性炭具有三維納米網(wǎng)格骨架構(gòu)成的多孔空心結(jié)構(gòu)，將這種特殊的活性炭用作超級(jí)電容器電極，其比電容高達(dá) 244F·g-1，充電放電10000次后電容無(wú)衰減。 

（8）用于儲(chǔ)氫

常用儲(chǔ)氫方法有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、金屬合金儲(chǔ)氫和有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫、炭材料儲(chǔ)氫等，其中炭材料主要有超級(jí)活性炭、納米碳纖維以及碳納米管等，而超級(jí)活性炭因?yàn)樵县S富、比表面積大、表面化學(xué)性能修飾、儲(chǔ)氫量大、解吸速度快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)以及容易產(chǎn)業(yè)化受到廣泛關(guān)注。有學(xué)者利用 CO2活化模板制備多孔碳，獲得了微孔介于0.7～1.3nm、中孔介于2～4nm、比表面積2829m2·g-1、孔容2.34cm3·g-1的超級(jí)活性炭材料，其在室溫298K、中等壓強(qiáng)8MPa條件下，對(duì)氫的吸附量可達(dá)0.95%。

21世紀(jì)以來(lái)，類似于金屬-有機(jī)框架的多孔固體材料為氫的吸收儲(chǔ)存開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。有學(xué)者在溫和條件下將活性炭引入到金屬－有機(jī)框架材料中，合成了具有高比表面積的活性炭-金屬-有機(jī)框架混合材料，在77K、10 MPa條件下，對(duì)氫的吸附量從8.2%提高到了13.5%?？刂瞥?jí)活性炭制備工藝，得到適宜儲(chǔ)氫的比表面積和孔徑大小及分布，進(jìn)而進(jìn)行表面修飾，在室溫及中等壓強(qiáng)下，提高儲(chǔ)氫量是超級(jí)活性炭?jī)?chǔ)氫研究及應(yīng)用的關(guān)鍵。

（9）用于煙氣治理

活性炭材料在脫硫脫硝過(guò)程中，因其處理效果好、投資運(yùn)行費(fèi)用低、實(shí)現(xiàn)資源化、且易于再生利用等優(yōu)點(diǎn)而引人注目，但是，單一的活性炭脫硫，速度慢，效率低。在提高活性炭脫硫的性能的過(guò)程中，改性活性炭引起重視，它能克服普通活性炭的某些缺點(diǎn)和限制，被認(rèn)為是最有前景的脫硫劑之一；另有研究表明，以亞鐵鹽和銅鹽配方處理的活性炭對(duì)氨有很好的吸附性能。

（10）其他應(yīng)用

在活性炭各種應(yīng)用中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《活性炭分類和命名》 的附錄A中， 提供了不同類型活性炭主要用途對(duì)照表，該對(duì)照表，對(duì)指導(dǎo)不同用戶選取不同類型的活性炭及其應(yīng)用提供了方便，詳見(jiàn)下表 ：