化腐朽為神奇 — 活性碳的製備

化腐朽為神奇—活性碳的製備 (Making a silk purse out of a sow’s ear! The fabrication of activated carbon)
國立臺灣大學環境工程學研究所 曾思嘉

相信大家都聽過活性碳，其妙用大家也知道。如當年SARS病毒猖獗時，活性碳口罩更是「一罩難求」，而且還是家中浴室、衣櫥的除臭小幫手！但是，大家可知活性碳是怎麼製造出來的嗎？

記得國中的物理課，曾經將竹筷子以鋁箔紙包裹後，以火烤的方式生成黑色的固體，可是這樣直接將木頭乾餾（隔絕空氣加熱）製作出來的物質，只能稱作是木炭，就是一般中秋節大家用來碳烤食材的燃料，而不是活性碳喔！

活性碳製作並不如大家想像中簡單，其實有一連串冗長且繁雜的步驟，包含碳化過程(Carbonization) 與活化過程 (Activation)。一般碳化過程包含脫水與碳化，利用高溫且缺氧的狀態下，使其他非碳的物質以揮發物或是焦油型態被釋出，並將碳材原料加以熱裂解，生成初步的多孔隙碳結構體。接著利用活化過程，以活化劑作為媒介，讓碳的表面或內部充滿奈米級的孔隙，使整體孔隙度上升，因此也可以說，活性碳就是經過活化過程，而具有高孔隙與高比表面積的碳，能夠利用其強力的吸附能力將物質吸附。

活化的過程有如畫龍點睛一般，能夠將一般的碳材變成具有極高妙用的活性碳，而其可分為物理活化法 (Physical activation) 與化學活化法(Chemical activation)。物理活化法通常是利用二氧化碳或是水蒸氣做為活化劑，將系統加熱到高溫，使碳材中的C變為CO₂逸散，而在表面留下孔洞。化學活化法則是利用如氯化鋅、氫氧化鉀等化學藥劑，使碳材直接和這些化學藥劑接觸進行反應，使原料膨脹、脫水、侵蝕，產生許多孔隙。此兩種活化方法各有優缺點，物理活化法因為將C變成CO₂，所以會造成大量碳材損失使產率降低，但化學活化法使用的化學藥劑對環境較不友善，因此如何在活性碳性質與對環境友善的考量下，選擇適當的活化方法也是相當重要的。

圖一 (a)物理活化法示意圖、(b)化學活化法示意圖(Kurzweil, 2009)。

能夠製作成活性碳的物質有非常多，幾乎所有含碳物質都可以當作活性碳的原料，可分為礦物原料（如煤、瀝青、石油焦等）與農業廢棄物（如椰殼、稻穗、木屑、果核等），其中最常用與最佳的原料是椰殼，一方面是椰殼具有資源回收再利用的價值，另一方面因為椰殼具有堅硬的結構，使其在製備活性碳的過程中，較不易因為結構不完整而崩塌。

了解活性碳化腐朽為神奇的過程後，以後在使用活性碳做為除臭劑或口罩時，更能夠深刻體會其便利性，並且以心存感激的態度去使用它！

參考文獻

• [1] H. Marsh, and F. Rodriguez-Reinoso(2006), Activated Carbon.
• [2]蕭弘毅、張玉芳、鄭淑蕙（2013），活性碳纖維的技術發展及應用，工業材料雜誌，313期。
• [3] P. Kurzweil(2009), “Electrochemical Double-Layer Capacitors,” Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, pp. 607-633.