為何活性碳可以將濾液變得透明澄清? - 社會議題

By Erin
at 2006-10-07T00:00

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化學題
可以跟我說明原因ㄇ
為什麼活性碳可以將濾液變得透明澄清?

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By Freda
at 2006-10-08T17:08

一、前言
早在18世紀前人類即發現到炭的吸附性能，而利用於糖的脫色。20世紀時因活性碳製造技術開的發成功，活性碳遂取代炭而逐漸廣泛應用在工業上。活性碳具有優異的吸附特性，廣為各種工業採用，例如產品純化、脫色、去毒、除氯及金的回收等。近年來社會對環保的意識抬頭，活性碳更被大量用於廢水及廢氣的處理，尤其是環保法規較為嚴苛的國家，活性碳的用量也越大。以先進國家為例，日本每人每年約需用0.5公斤的活性碳，美國則為0.4公斤，相較於其他未開發國家或開發中國家，每人每年的耗用量僅在0.03公斤，要高出十倍以上。
二、活性碳的性狀
活性碳(activated carbon)的主成分為碳，並摻有少量的氫、氧、氮、硫等化合而成，為黑色且表面複雜的多孔性物質，結構則為碳所形成的六環狀物，粒形可以從圓柱形粗顆粒到細粉末粒子，故有粒狀及粉末狀兩種型態。顆粒直徑一般為1~6mm，長度約為直徑的0.7~4倍，或具有6~120網目粒度的不規則顆粒。
活性碳無臭、無味，不溶於水和有機溶劑。裝填密度約0.3~0.6g/ml，甚大的微孔容積約0.6~0.8ml/g，比表面積約500~1,500m2/g，故對有機高分子物質有很強的吸附力，而對於液相中的微量成分、色素、臭氣物質等具有高度的去除能力。最適用pH值為4.0~4.8，最佳應用溫度為60~70℃。
目前巿面上可購得各種形狀的活性碳，例如粉狀碳或破碎狀的顆粒碳、造粒為條狀或球狀的造粒碳、或纖維狀的纖維碳及成形為蜂巢狀的一般活性碳；此外尚有添加化學藥劑以加強選擇性吸附能力的機能性碳。除了形狀差異外，活性碳的各種物理及化學性質對於其應用的領域也深具影響。比如除臭用活性碳以微孔含量高者為佳，但此種活性碳卻不見得適用於脫色。
表一活性碳之應用機能
應用例
活性碳之機能

吸附
細孔內/積凝
觸媒作用
碳質自身反應

二氧化碳之回收
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氣體除油
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除硫化氫
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除亞硫酸氣
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除NOx
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除臭氧
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除游離氯
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除過氧化氫
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觸媒及觸媒擔體
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三、活性碳之應用
活性碳主要是用作為氣體或各種物質選擇性吸附的基材，用途廣泛，上自化學品、醫藥品的生產製程，下至廢水處理、含戴歐辛(dioxin)之廢氣處理等環保領域，也用於淨水、廢水處理、甜味料脫色、化學、醫藥和礦物加工、食品加工、空氣或其他氣體吸附純化與溶劑回收。一般而言，目前活性碳在水質的處理上大約佔其用途的80%，包括30%用於飲用水、22%用於工業及都巿廢水、12%用於甜味料之脫色、地下水用7%、礦物用5%、家庭用約5%、食品加工用約4%，以及其他包括化學製程的雜項約佔有11%；至於在氣體上的用量約佔其20%，包括5.8%用於空氣淨化、5%用於溶劑回收、4%用於汽車，以及其他包括香煙濾嘴的雜項約佔有5.2%。
活性碳因碳的形狀與性質而有不同的應用領域。粉狀碳主要應用於化學品純化/脫色、水處理、飲料淨化、精製糖、製藥及食用等液相製程；粒狀碳除了可用於液相外，也可用於氣體吸收、溶劑回收、金的回收等氣相應用；蜂巢狀及纖維狀碳則多使用於大空間低濃度的氣相中，如吸附空氣中VOCs(有機揮發性化合物)或毒性物質的濾網、影印機或室內空氣淨化器用除臭濾網等；纖維狀碳尚可做成口罩、防護衣及濾水器之濾心等。
活性碳市場的活絡主要來自環保議題的驅動，尤其是水和空氣污染的處理，這種現象在先進國家中特別明顯，而其他傳統用途的用量，也以2~3%的比例逐年增加。目前各大活性碳廠商也均朝向氣體分離用、回收汽車之汽油蒸汽(gasoline vapor)、電子材料等精密且高附加價值之領域與活性碳摻混製程方面加速發展，一方面也可彌補應用在泛用品領域逐漸萎縮的利潤。
四、活性碳的製造
幾乎所有可碳化的物質均可用來製造活性碳，故包括木屑、泥炭、褐煤、木炭纖維殘渣、石油焦炭及椰子殼等都是製造活性碳的常用原料。近年來原料更是多樣化，甚至人造纖維、廢車胎、廢塑膠、稻草、污泥均有人在開發作為生產活性碳的原料。
活性碳的製程包含碳化(carbonize or char)和活化(activate) 兩個基本步驟。碳化的目的為去除其中的水份，使有機物碳化；活化的目的則為產生基本孔隙的碳化物。碳化步驟通常在500~750℃的高溫與無氧的條件下進行；活化步驟則只是簡單的熱處理，通入的氣體大部分採用蒸氣、二氧化碳或是二者的混合物，反應溫度約750~1,000℃。目前有水蒸氣法和氯化鋅法兩種活化步驟的流程。使用過的活性碳可藉由去除孔隙中的污染物而再生。
此外，澳洲的研究機構CSIRO也研發出由鋸木廠的鋸屑為原料以生產活性碳的方法。此製程是將鋸木屑通過所謂的流體化沙床(fluidized sand bed)並加熱到500℃，再經蒸氣處理、活化。所生產的活性碳可以用來淨化空氣、純化水質等。

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