活性碳

活性碳 (Activated Charcoal)
臺北縣立三民高級中學化學科林妙津老師 / 國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

碳家族 (Carbon family) 眾所週知，根據碳-碳結構不同可分為石墨、鑽石、碳六十和奈米碳管等；這些碳才都具有特定且固定的結構，而不具特定結構的碳則泛稱為「無定形碳(Amorphous)」，活性碳就是一種無定形碳。

活性碳是一種被廣泛應用的「孔洞材料(Porous materials)」（圖一）。孔洞材料的孔洞依孔徑(Pore size)分類：孔徑2nm以下稱「微孔(micropore)」，孔徑 2-50 nm 之間稱「中孔 (mesopore) 」，孔徑50 nm以上稱「大孔(macropore) 」。孔洞越多，材料的表面積越大。

活性碳擁有非常多微孔，根據氮氣吸脫附實驗每克之活性碳測得之表面積遠大於 500 m2/g。活性碳除了微孔還有中孔和大孔，這些孔洞可以吸附較大的分子如碘分子和甲基藍。（圖二）最常見用來表示微孔洞吸附量數值是「碘分子數(Iodine number)」，即每克活性碳可從溶液中吸附的碘分子量；而中孔洞的吸附量則以「糖蜜數(Molasses number)」表示，為每克活性碳可從溶液中吸附的糖蜜量。活性碳即是因為擁有極大表面積可吸附分子或進行化學反應，故取名「活性」。

圖一 電子顯微鏡下活性碳的孔洞結構

圖二 大小分子在活性碳上吸附分布情形

活性碳的孔洞系統是來自活性碳製作起始物本身的特性或在活化過程中燃燒而成，其原料來主要自於泥炭、木、褐煤與石油瀝青等。

根據製造過程可區分為：

1. 物理法活性碳：

(1)碳化：含碳物質在無氧（通常在低反應性氣體如氬氣或氮氣）的環境進行高溫（600～900℃）裂解(pyrolysis)，得到的碳灰為活性碳。

(2)活化/氧化：含碳原料在高於250℃（通常為 600～1200 ℃）和含氧物質如二氧化碳、氧氣或水蒸氣下反應。

方法(1)(2)可單獨使用或合併使用。

2. 化學法活性碳：

將含碳原料進行前處理，浸漬在某些化學藥品如酸、強鹼或鹽類（磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鋅）後再碳化。經過前處理的原料可以在較低反應溫度（約在450～900℃）反應生成活性碳。

1970年美國職業安全健康局(The Bureau of Occupational Safety and Health)研究人員發展出應用活性碳吸附管於空氣污染分析的採樣技術上。圖形如下：

此吸附管有很好的採樣容量，及大的穿透體積，可以提供高流速與長時間的採樣。使用時將此吸附管接於空氣採樣幫浦，設定流速與時間後進行採樣。

樣品分析則取前段(A)活性碳以溶劑萃取或熱脫附後由氣相層析儀進行分析。(B)段部分的活性碳則需進行穿透實驗，若採樣時間過久，或空氣污染物濃度太高，(A)段活性碳飽和後，污染物會由(B)段吸收，造成樣品分析得不準確，則必須重新採樣再分析。

參考資料
1. Bruce Seelig、Fred Bergsrud、Russell Derickson，Activated Carbon for water filtration – Treatment Systems for Household Water Supplies，AE-1029，February 1992。
NDSU Agriculture  http://www.ag.ndsu.edu/pubs/h2oqual/watsys/ae1029w.htm
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Activated_carbon