把活性炭弄成個(gè)球，為什么這么受歡迎？

球形活性炭（SAC），作為一類具有球形外觀的活性炭材料的統(tǒng)稱。相較于傳統(tǒng)形態(tài)，SAC憑借機(jī)械強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、球形度高以及雜質(zhì)灰分含量低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在吸附凈化、能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化、催化、醫(yī)療、安全防護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出高效的性能，從而受到了人們的廣泛關(guān)注。

木質(zhì)活性炭

圖源：韓研股份

01

球形活性炭制備技術(shù)水平

目前，用于制備SAC的主要原料可分為四類：高分子、煤、瀝青和生物質(zhì)。不同前驅(qū)體由于理化特性的不同，在制備工藝和應(yīng)用領(lǐng)域上存在顯著差異。

SAC的前體材料

過去幾十年來，人們?cè)赟AC的合成工藝方面做出了巨大努力，探索出水熱炭化法、懸浮法、噴霧法、乳化法、模板法等多種前驅(qū)體成球制備技術(shù)。

煤質(zhì)活性炭和木質(zhì)活性炭的典型制備工藝

為賦予SAC特殊孔道結(jié)構(gòu)和特定功能，孔徑控制、活化、改性、石墨化等新技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。然而，目前SAC的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程依舊面臨諸多挑戰(zhàn)，如制備工藝繁雜、再生能耗極高、功能化改性不足、應(yīng)用場(chǎng)景受限等。與此同時(shí)，SAC的生產(chǎn)需要確保產(chǎn)品具有光滑無裂紋的球體形狀以及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，以避免在應(yīng)用過程中發(fā)生破損或脫落，這些也是我們要改進(jìn)的重點(diǎn)。

用不同官能團(tuán)對(duì)活性炭進(jìn)行表面改性技術(shù)示意圖

不同物理和化學(xué)活化制備的SAC物理性質(zhì)

為滿足各領(lǐng)域?qū)AC粒徑和品種的需求，納米炭球（NCS）、中空納米炭球（HNCS）的制備和性能開發(fā)也已經(jīng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

02

球形活性炭高端應(yīng)用場(chǎng)景

（1）液體凈化

SAC憑借其高比表面積、多孔結(jié)構(gòu)且表面攜帶可調(diào)的官能團(tuán)，可以用于去除水中多余的氯、染料、藥物、重金屬等有機(jī)或無機(jī)污染物，達(dá)到提高水質(zhì)、消毒殺菌的目的，主要應(yīng)用在飲用水凈化、工業(yè)廢水及含磷廢水處理等領(lǐng)域。

不同前體制備SAC的物理性質(zhì)及液相吸附效果

（2）氣體吸附

SAC在吸附揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）方面表現(xiàn)出色，其多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積使其能夠高效吸附乙醛、甲醛、2-丙烯、1，3-丁二烯和苯等。此外，SAC在CO2吸附領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)減少溫室氣體排放以及控制空氣污染具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

不同前體制備SAC的物理性質(zhì)及氣相吸附效果

目前的探究表明，SAC前體的選擇、活化方式、目標(biāo)污染物分子直徑等因素對(duì)其吸附性能均有影響。

（3）催化劑載體

SAC微晶中的大量不飽和價(jià)鍵具有類似于結(jié)晶缺陷的結(jié)構(gòu)，有助于提高催化劑載體的催化效率，并且SAC耐酸堿性強(qiáng)，單獨(dú)作為催化劑時(shí)也不會(huì)發(fā)生溶解現(xiàn)象，容易合成，能夠控制物理性質(zhì)和產(chǎn)率。

而聚合物基球形活性炭（PBSAC）已被證明是一種很有前途的催化劑載體，用于液相催化加氫脫氯反應(yīng)（HDC）和負(fù)載型離子液相（SILP）催化劑中，載體的過濾、回收效率和重復(fù)使用性比傳統(tǒng)的粉末狀活性炭基催化劑高得多。值得注意的是，SAC催化穩(wěn)定性和效率會(huì)受到分子大小和本身孔結(jié)構(gòu)限制。

（4）能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化

在超級(jí)電容器領(lǐng)域中，超級(jí)電容炭從外部結(jié)構(gòu)區(qū)分主要有兩類，一種為無定型粉末狀電容炭，一種為球形形貌電容炭，采用椰殼、石油焦、酚醛樹脂為原料制備的電容炭都為無定型粉末狀。球形電容炭因球形度高，具有裝填率高、低灰、性能均一、成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外超級(jí)電容炭性能對(duì)比

球形活性炭制備的超級(jí)電容器在實(shí)際使用過程中，因球形活性炭之間存在的球形間隙和球面光滑，有助于電解液流動(dòng)浸潤(rùn)，因此可以減小電解液離子的穿梭阻力，且因球形結(jié)構(gòu)使炭電極機(jī)械強(qiáng)度較高，耐磨性好，充、放電過程掉屑少，并能夠抵御高負(fù)載密度下快速充、放電過程中因體積變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)塌陷和黏結(jié)，使其具有優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率特性。

在鋰離子電池等嵌入型儲(chǔ)能體系中，SAC顆粒的完整球形外殼能夠約束內(nèi)部活性物質(zhì)的體積膨脹，而其表面豐富的缺陷位點(diǎn)亦可促進(jìn)鋰離子的均勻沉積，從而抑制電極粉化。

在儲(chǔ)氫領(lǐng)域中，儲(chǔ)氫材料面臨的主要挑戰(zhàn)包括儲(chǔ)氫密度低、難以在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)與釋放以及循環(huán)壽命和成本問題。近期研究表明，通過精準(zhǔn)調(diào)控炭材料的孔隙層級(jí)與表面化學(xué)態(tài)可實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)氫，而SAC顆粒表現(xiàn)突出。

在儲(chǔ)熱領(lǐng)域中，SAC得益于自身優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，在高溫工況下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性。

（5）醫(yī)療科學(xué)

醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域?qū)ρ簝艋牧系暮诵奶魬?zhàn)在于平衡生物安全性與功能性。SAC通過獨(dú)特的梯度孔隙系統(tǒng)（微孔-介孔-大孔）設(shè)計(jì)，在解決這一矛盾中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：納米級(jí)微孔通過分子尺寸篩分機(jī)制選擇性捕獲炎癥因子，介孔加速溶質(zhì)傳質(zhì)效率，而表面大孔可抑制血小板粘附。同時(shí)結(jié)合其低灰分碳基體和表面光滑特性，SAC亦可有效降低溶血風(fēng)險(xiǎn)，滿足植入式醫(yī)療設(shè)備的生物安全性要求。

（6）核生化防護(hù)

SAC憑借高抗壓強(qiáng)度、耐水性、熱穩(wěn)定性、對(duì)堿性和酸性介質(zhì)的耐化學(xué)性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有潛力的制造化學(xué)防護(hù)服的吸附劑之一。SAC在核生化防護(hù)領(lǐng)域主要應(yīng)用在呼吸道防護(hù)和皮膚防護(hù)兩個(gè)方向。其中，皮膚防護(hù)方面，一般使用活性炭復(fù)合織物。目前主要有6種活性炭復(fù)合織物，包括噴炭復(fù)合織物、摻炭纖維復(fù)合織物、顆粒炭/泡棉復(fù)合織物、活性炭纖維靜電植絨織物、高強(qiáng)度活性炭纖維織物和球形活性炭復(fù)合織物。

球炭復(fù)合織物是一種較為先進(jìn)的防毒材料。在這種材料中，球形活性炭在織物表面點(diǎn)狀黏結(jié)，球炭表面的黏結(jié)劑覆蓋面積不超過20%，盡可能保留了活性炭的吸附能力；球炭間保持一定的間隙，織物的透氣性良好。

結(jié)語

在應(yīng)用層面，SAC憑借其多級(jí)孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，已在液體凈化、氣體吸附、能源存儲(chǔ)、催化載體及醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要價(jià)值。然而，SAC的工業(yè)化進(jìn)程仍受限于原料雜質(zhì)控制不足、工藝能耗高、功能定向設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性等瓶頸。未來研究需重點(diǎn)圍繞原料精制、形貌構(gòu)筑、孔隙調(diào)控、表面功能化及智能化設(shè)計(jì)等方向深化探索。

參考來源：

蔡岳玲：球形活性炭的研究進(jìn)展：從制備到應(yīng)用，國(guó)能基石化工科技（上海）有限公司

黃嬌：球形活性炭的制備、改性及應(yīng)用研究進(jìn)展，遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院

吳永杰：超級(jí)電容器用活性炭的研究進(jìn)展，中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司