摘要：活性炭的吸附性能主要由其孔结构和表面性质决定，活性炭的形状、活性炭组成中无机质的种类及含量也在一定程度上规定了活性炭的应用范围。本文在讨论活性炭孔结构、表面官能团种类和数量、无机质类别与含量、形状对活性炭吸附性能和应用影响的基础上，对活性炭孔结构定向制备的原理和方法、表面改性的手段与途径、活性炭无机质脱除的时机与工艺、活性炭形状调整的方法等进行了综述性评介。
活性炭是一种具有发达孔隙结构和很大内表面积的人工炭材料，主要用作吸附分离单元操作的吸附剂。与其他种类的吸附剂（树脂、硅胶、沸石等）相比，活性炭具有很多优越性：孔隙结构高度发达、比表面积大；表面上含有（或可以附加上）多种官能团；具有 催化活性；稳定，能在不同温度和酸碱度下使用；可以再生。因此，活性炭的应用领域已从传统的食品和医药的脱色与除味、防毒面具，扩大到溶剂精制与回收、催化剂或催化剂载体、防除原子能设施放出的放射性物质、空气净化、烟气脱硫、食品保鲜、医药制品、血液净化等方面，近年来又在大容量电容器、天然气贮存等领域得到新的应用。
活性炭的吸附性能主要由其孔结构（孔形状、尺寸及分布）和表面官能团决定。活性炭无机部分（灰分）的存在，对其吸附作用一般有负面的影响，而活性炭中某些金属元素、特别是一些重金属将严重制约活性炭的应用范围。此外，实际应用过程经常要求活性炭具有球、蜂窝、波纹等特殊形状。
目前工业化生产的活性炭在孔结构、形状、表面官能团种类与数量方面很难同时满足要求。本文讨论活性炭的孔结构、表面性质、无机质种类与含量、形状等对活性炭吸附性能和应用的意义，并以各种应用途径对活性炭结构性状的要求为目标，对活性炭孔结构定向制备的原理和方法、表面改性的手段与途径、活性炭无机质脱除的时机与工艺、活性炭形状调整的方法等进行综述性评介。
1 活性炭的孔结构及调控
活性炭的吸附能力来自其发达的孔隙，这些孔的形状各异、大小不同。活性炭不同尺寸孔的存在及其间的协同作用，使活性炭对多种不同分子量的物质都显示出了优异的吸附性能。
1.1 活性炭的孔结构
活性炭的孔，是制备过程中在无定形炭基本微晶之间清除了各种含碳化合物及无序炭（有时也从基本微晶的石墨层中除去部分炭）后所产生的孔隙。活性炭孔的形状多种多样；有些孔具有缩小的入口（墨水瓶状），有些是两端敞开或一端封闭的毛细管，还有些是两平面之间或多或少呈规则状的狭缝、V形孔、锥形孔等。
1.2 活性炭孔结构的意义
在吸附过程中，吸附剂的孔径与吸附质分子或离子的几何尺寸需要有一定的匹配，只有吸附质分子或离子能进入、充填的孔隙才是有效的孔隙。对于不同的吸附质而言，有效孔隙所对应的孔径分布叫可几孔径，只有可几孔径分布下的孔容和比表面积的增加才能提高对吸附质的吸附能力。研究表明，对吸附剂利用率较高的孔径与吸附质分子直径的比值是1.7~3.0。
由于不同吸附质所具有的尺寸不同，不同用途对活性炭孔结构的要求各异。总的来说，气相吸附要求活性炭以微孔结构为主（微孔容积占总孔容积的70%~90%）、孔径分布集中；用于水处理、食品脱色、催化剂载体、血液净化、溶剂回收等领域时，要含有较多（50%~70%）的中孔，以保证足够的吸附量并尽快达到吸附平衡。
1.3 活性炭孔结构的控制
1.3.1 活性炭定向制备
活性炭的定向制备，就是根据用途和应用领域对活性炭吸附性能的特定要求来确定、调节、控制吸附材料的孔结构，生产出具有指定孔结构和性能的活性炭。
对活性炭孔结构、微晶结构、吸附性能间的关系研究，可以确定活性炭具有各向同性、非石墨化、无定形炭含量多的结构特征；结合有机物炭化路径的研究，证明了定向制取活性炭的根本途径在于控制原料的炭化过程，使炭化物成为各向同性、难石墨化、无定形炭结构为主的炭素前驱体；控制煤炭化过程的机制是在形成胶质体的温度阶段减少小分子碎片的量，在固相炭化的条件下阻碍热解产生的大分子自由基择优取向，形成各向同性的炭素前驱体；根据KOH对炭化和活化的不同作用，制定“原料选择炭化控制-催化活化”工艺，就奠定了煤基活性炭定向制备技术的理论基础。
活性炭的性能受原料特性和制备过程的共同影响，因而选用不同的原料或改变制备条件都可调节活性炭的性能，其中，原料特性的影响是第一位的。以煤为原料制备活性炭，煤岩成分、矿物质的种类、元素组成、变质程度等煤本身的特性，基本上决定了产物的微晶结构、孔结构，进而决定了活性炭的吸附性能。
化学活化法制备活性炭，是将原料经0.5~4倍的化学药品，溶液浸渍后加热，由于化学品的脱水作用，原料里的H和O以水蒸气的形式释放，形成孔隙发达的活性炭。这类方法要求原料的含氧量＞25%，含氢量≥5%，适用于木质原料（氧含量约43%、氢含量约6%）和极少数的年轻褐煤（氧含量达20%）、褐煤及中低变质程度的烟煤（氢含量在4.5%左右）。原料组成与特性、化学品的种类与浸渍量、工艺条件等都会影响炭质吸附剂的孔结构。
物理活化法是把原料炭化后，用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等，在600~1200℃下对炭化物进行高温热破坏（部分氧化）以产生多孔结。在活化过程中，工艺参数的选择与控制对活性炭孔结构的影响很大。活化工艺参数包括温度、时间、活化气体组成及分压、催化剂种类等。较低的活化温度可以得到孔径均匀的活性炭。活化时间对孔隙结构的发育影响很大；烧失率在50%以下时，得到以微孔为主的活性炭；在75%以上时，得到以大孔为主的活性炭；在50%~75%之间时，是大孔和微孔的混合结构。活化气体反应性、分子尺寸的不同造成活化时炭化料内孔发育不同；一般地，用水蒸气活化可得到好的孔结构，并且在较低的水蒸气分压、较长的活化时间条件下能提高微孔量；CO2活化有利于中孔的形成，其原因可能是CO2较大的分子尺寸造成扩散速度缓慢，阻碍微孔结构的形成。另外，活化剂流速对孔结构也有影响。流速较低时，活性炭微孔容积大；高流速时，微孔容积反而减少，这是高流速使颗粒外表面烧失引起的不均匀活化所致。
化学法和物理法制备活性炭在工艺复杂程度、成本、对孔结构调控能力等方面具有互补性，它们经常被同时应用于孔结构的调控。在物理活化前对前驱体进行化学改性，可以灵活调控活性炭的孔结构，甚至制备出仅含微孔或仅含中孔的活性送炭。
1.3.2 活性炭孔结构的修饰
在制备过程中调节活性炭的孔结构有时也有一定的局限性。对产品活性炭进行深度后处理可以在一定程度上改变孔结构，常用方法有碳沉积技术。
碳沉积的原理是将有机高分子化合物、烃类气体分子等物质与活性炭接触，然后在适当的温度下将其裂解析出游离碳并在大孔和中孔孔隙的入口处沉积，从而使孔径缩小，实现产品孔隙均一化。碳沉积方法通常有两种：将原料用有机物浸渍，再进行碳沉积；或在适当的温度下在反应器中通入气态烃使其分解，析出的一部分热解碳沉积到活性炭的大孔入口处，使活性炭的孔隙得到调变，即化学气相沉淀法。某些微孔活性炭经碳沉积后甚至具有分子筛性质。
2 活性炭表面性质与改性
2.1 活性炭的表面性质
活性炭表面的氧化物及有机官能团（如羧基、羰基、羟基、内酯等）能使活性炭同时具备特殊的表面化学特性，这又赋予活性炭以特殊的化学吸附性能。
活性炭表面常见的含氧官能团主要有酚羟基、羧基、内酯基、羰基、酸酐等，含氮官能团可能存在的形式有两类：酰胺基、酰亚胺基、乳胺基；类吡咯基、类吡啶基。
傅立叶变换红外光谱是揭示活性炭表面官能团的有效工具，随着PTIR分别率的提高、定性定量功能的开发，红外光谱技术在对活性炭表面特性表征越来越精确。
2.2 活性炭表面性质的意义
活性炭的各种用途对活性炭表面官能团种类与数量的要求是不同的，有时对活性炭表面的碱性基团、尤其是含氮官能团有特殊的要求，如饮用水的深度净化、酸性气体的脱除等用途对活性炭表面胺类和含氮有机物的亲和性有很高的要求。
目前，工业化生产的活性炭在孔结构、形状、表面官能团种类与数量方面很难同时满足要求。根据应用途径的需要对活性炭进行改质（改形、改性），是提高活性炭吸附选择性、扩大应用范围、满足特殊需要的有效途径。
2.3 活性炭表面改性
活性炭改性总体上可分为干法和湿法两大类。湿法改性主要是氧化、还原和负载金属等溶液处理法。干法改性主要指采用电子束或紫外线处理、低温等离子体处理等方法。射线、电子束处理等干式工艺，由于射线和电子束的穿透力强，会破坏材料体相、影响材料的性能。低温等离子体表面处理技术既能改变炭材料的表面化学性质又能控制材料的界面物性，在炭材料的表面处理方面显示出广阔的应用前景。
2.3.1 应用于液相吸附活性炭的改性
在液相吸附时活性炭表面上总会有溶液组成中的各组分分子，这就意味着在液相吸附时溶液各组分会发生竞争吸附，这种竞争吸附实际上是溶质-溶剂、溶质-溶质、溶剂-溶剂、溶质-吸附剂和溶剂-吸附剂间作用的综合结果。如何使目标物质间的吸附占优势，是提高活性炭吸附和使用效率的关键。
活性炭对阳离子的吸附与介质pH值有关，当pH大于活性炭等电点时其表面带负电，对阳离子表现出较强的吸附能力；当pH值小于其等电点时，则对阳离子吸附下降。这种结果表明静电作用在活性炭吸附中起主要作用。如果活性炭表面电负性太强，还会发生氧化还原反应，使阳离子如金属离子等还原为单质吸附在炭表面上。因此，要增强活性炭对金属离子的吸附可通过增加活性炭表面电负性的途径来完成。
活性炭巨大的比表面积以及活性炭的吸附作用及解吸作用对可能出现的突变负荷所起的缓冲作用，为微生物的生存提供了较适宜的环境，经过驯化了的微生物吸附在活性炭表面就形成生物活性炭。生物活性炭去除有机物是由炭的物理吸附和微生物的生物降解共同作用的。一方面活性炭通过物理吸附把有机物吸附到炭表面上来，另一方面有机物把炭表面上的有机物先通过胞外酶进行水解，然后进一步吸收、氧化和分解。生物活性炭既利用了微生物和活性炭两者的优点，又弥补了其不足，达到了很好的效果。
2.3.2 应用于气相吸附活性炭的改性
气体在活性炭上的吸附属于物理吸附，气体的极性对于其在炭表面上的吸附起至关重要的作用。一般而言，活性炭属于非极性吸附剂，故对非极性物质及长链极性有机物都有良好的吸附能力。但是，由于活性炭表面含有含氧及含氮等极性官能团，对于某些极性物质也有吸附能力，并且当吸附质主要依靠分子与表面极性基团的作用而吸附时，提高活性炭表面极性官能团的浓度将有利于吸。改变活性炭表面极性的方法前已叙及。活性炭在常温下仅仅对一些非极性的浓度较大的气体有良好的吸附作用，而对极性气体和浓度很小的气体吸附效果较差，通过改变极性的方法，可以增强活性炭对极性气体的吸附能力，但由于活性炭的吸附为物理吸附，吸附不牢固，容易脱附，而且对于浓度很小的气体其吸附作用不明显，因此，对于此类应用，活性炭必须添载适当的化学品，通过进行化学反应或者与化学反应相近的强大的力来吸附气体。例如活性炭在原子能发电站的应用中，为了改善在湿度大的状态下对放射性碘化钾的吸附能力，采用了把能期待发生碘的同位素反应的物质（碘化钾等）添载到活性炭上的方法。
2.3.3 应用于催化活性炭的改性
活性炭不但具有吸附性能，而且还具有重要的催化性能，它的催化性能使它获得很多工业应用。活性炭的催化活性是直接由于炭的表面和表面化合物以及不均匀的物质，特别是灰分等所产生的。但由于灰分组分随原料及生产工艺的不同而不同，不易控制，因此活性炭的催化性能常常是通过特殊处理而赋与的，例如用各种重金属盐浸渍或表面用还原金属覆盖。在这种情况下，活性炭不限于仅起载体作用，因为它的比表面积、孔隙结构特性和表面化学性质均会对催化剂的活性、选择性和使用寿命产生重大影响。针对活性炭所负载催化剂的催化反应机理，对活性炭进行表面改性，将大大有助于反应的进行等研究发现，活性炭表面的含氧官能团在以氧化钨为催化剂催化还原异丙醇分解反应时起重要作用，因此对活性炭表面进行了氧化处理。
2.3.4活性炭等离子体表面改性
低温等离子体处理技术作为一-种新兴的活性炭改性方法，具有处理效果好、处理时间短、可连续长时间处理且操作简单、成本低以及既能改变炭材料的表面化学性质，又能控制材料的界面物性等特点，在活性炭的表面改性方面显示出了其独到的优势。
3 活性炭的无机质及微量元素
3.1 活性炭的无机质与微量元素
活性炭主要由碳元素组成，同时也含有氢、氧、硫、氮等元素，以及一些无机质。活性炭无机质的组成主要是氧化物，以及少量的硫酸盐、碳酸盐及Fe、Al、Ca. K、Na、 Mg、等金属的化合物，根据原料的不同还有不等量的硅。
活性炭中无机质含量与原料有很大关系，如木炭原料中灰分仅0.80%~1.25%，煤的灰分一般在12%左右，这样木质活性炭的灰分低于4%左右，而煤质炭的灰分大多高达20%。相比之下，合成有机物为原料制备的活性炭的灰分就低得多，用酚醛树脂和聚偏二氯乙烯制得的活性炭的灰分低于0.01%。另外，灰分含量受活化和后处理方法的影响也很大。例如，以植物原料用ZnCl2法制得的活性炭灰分低于4%，物理法活化的活性炭的灰分＜8%，但经酸洗和水洗等后处理，灰分一般也可降至4%~5%以下。
制备活性炭的主要原料是各种煤炭和木质原料。煤本身含有无机矿物质和各种微量金属、非金属元素，植物对某些特殊金属的富集作用，这样在煤基和木质活性炭中不可避免地含有相应的元素。
3.2 活性炭的无机质与微量元素的意义
很少的灰分含量对活性炭的性能就有很大的影响，这可能是由于基本结构极性的改变造成引。活性炭中的灰分在气相吸附时是惰性物质，而在液相吸附根据灰分中氧化物及碱金属盐的含量有不同程度的不利影响。此外显而易见的是，活性炭中无机质含量的增加，就已意味着碳含量的降低，必然降低了单位质量活性炭的吸附性能。目前，美国、日本等发达国家对用于食品、医药、水处理等方面活性炭的灰分已有明确的要求。
3.3 活性炭中无机质与微量元素含量的控制
活性炭中微量元素多为与无机质有较大亲和力的一些金属或非金属元素，在控制活性炭无机质含量的各种方法和工艺中，随着无机质含量的降低，这些微量元素的含量也得到大幅度降低。
控制活性炭的灰分含量有三个时机，可采用前期、中期、后期脱灰三种工艺。
前期脱灰是指在活性炭生产前对原原料（煤、木质原料）进行脱灰处理，直接生产出低灰炭。目前工业化应用的物理选煤方法，如跳汰、重介等，可以从煤中脱除30%~50%以黄铁矿硫（或10%~30%的全硫）和约60%的成灰矿物质，显然满足不了生产低灰优良活性炭的要求。但是，这些工艺若作为其它深度脱灰的“预处理”过程则可以减少脱灰的总成本。现在正开发的高效物理和物理化学净化法，如选择性絮凝、浮选柱、高压静电选、摩擦电选等，可制得灰分低于3%、甚低于2%的精煤。化学净煤法还可清除以微细颗粒弥散于煤质中以及参与煤结构的矿物质。化学净煤法大致可分为氧化法、酸处理法、碱—酸 处理法、溶剂萃取法四类，一般都可制备出灰分在1%以下的超纯煤。
后期处理即是对活性炭产品进行脱灰，通常用酸（盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、氢氟酸等）和碱（氢氧化钠等）处理活性炭产品，这是目前活性炭工业生产中普遍采用的工艺。
中期处理方法是指对半成品炭化料进行脱灰处理，然后再活化制得活性炭。煤经炭化后再酸洗脱灰，由于热处理使煤中的无机矿物质具有一定的反应活性，使得炭化物的酸洗脱灰效果明显优于原煤。煤与KOH共炭化时，KOH与煤中无机矿物质在较高温度下反应生成水溶性或酸可溶性的盐，大大提高了炭化物的酸洗脱灰率，这个方法尤适用于无机矿物质中SiO2含量高的煤的深度脱灰。
4 活性炭的形状与改形
活性炭的形状会很大影响其应用。例如，在血液灌流要求所用活性炭为球形。活性炭的改形（包括成型化）成为目前活性炭研究的热点之一。与常规活性炭相比，球形活性炭外表为圆球形，表面光滑；机械强度高，没有明显的微粉脱落；在固定床使用时，装填密度均匀，对流体阻力小，流体压力降小，有利于流体匀速通过。可望在高级环保、化工及生理医学方面得到广泛应用。对活性炭形状要求的满足有两种方案：在活性炭制备过程中控制形状；或对成品活性炭后加工（改形）。
5 结语
由于活性炭所具有的优异性能，它的应用领域不断扩大，与此同时，对活性炭的吸附性能、组成、形状等也提出了更新、更高的要求。遗憾的是，目前工业化生产的活性炭在孔结构、形状、表面官能团种类与数量方面很难同时满足应用途径对活性炭的要求。
本文深入讨论了活性炭的孔结构、表面性质、无机质种类与含量、形状等对活性炭吸附性能和应用的意义，以各种应用途径对活性炭结构性状的要求为目标，对活性炭孔结构定向制备的原理和方法、表面改性的手段与途径、活性炭无机质脱除的时机与工艺、活性炭形状调整的方法等进行综述性评介，提出了一些活性炭制备、提质、改性、改形等方面待解决的研究课题。