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活性碳（activated carbon）是一种黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。所谓无定形碳是形容其内部的碳原子结构没有固定的排列顺序而言。实际上它的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨（graphite）一样结构的晶体，石墨是制作铅笔笔心的材料。活性碳与石墨最大的不同，在于它的碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。主成分除了碳以外还有氧、氢、氮等元素。
由于活性碳的碳原子，在结构上排列相当纷乱，如果我们将它的结构碎裂，用显微镜观察，可以发现它的内部到处充满纵横交错的细孔，这些细孔的尺寸，可以小到分子级大小（molecular dimensions，约0.1 nm直径），因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积（specific surface area）大。 活性碳的多孔隙结构，让它具有极大的「比表面积」，此种表面积更赋予它具有最强烈的吸附能力，而能广泛吸附许多化合物。在人类所制造的物质中，以活性碳的结构最具多孔性，或最具有物理吸附作用能力。活性碳的「比表面积」可以超过1000 m2/g，如果依此计算，那么小小的5g重所拥有之表面积，将相当于一个足球场那么大。 活性碳的吸附作用 吸附（adsorption）是指液体或气体附着集中于固体表面的作用，一般的活性碳都能发生这种作用。吸附与吸收（absorption）不同，吸收是指让液体或气体进入固体的内部的原子结构中，但活性碳并不具备这样的能力，它的吸附作用只是一个表面现象，所以只发生于它的表面。 吸附作用的形成，主要来自伦敦分散力（london dispersion forces），这也是另一种凡得瓦力（van der waals force）的表现形式。此种力普遍存在于不具有永久性偶极矩（dipole moment）的分子之间，它是一种自然的吸引力。只要分子足够靠近，都会很自然产生这种作用力。凡是能利用此种力把物质吸住的作用，我们称为物理吸附（physical adsorption）。此种作用力与温度无关，因此不受温度之影响。 伦敦分散力必须在碳表面（carbon surface）与被吸附分子（adsorbate molecule）之间达到作用的距离之后才会发生，该力的大小涉及被吸附分子中所有相关原子与活性碳表面碳原子密切接触的程度。如果接触的程度越高，则该力越大，同时活性碳对该分子的吸附能力也越强。 气相及液相吸附 活性碳对气相（gas phase）的吸附作用，除了与其接触表面积有关外，也与被吸附化合物的分压（partial pressure）有关。当分压高于该化合物的在活性碳表面的蒸气压时，该化合物会被逐渐缩合（condensation）在活性碳中，直到达到压力平衡为止。反之，如果分压较低时，一部分该化合物会从活性碳表面脱离，直到达到新的压力平衡为止。 活性碳对液相（liquid phase）的吸附作用与气相有类似性质。它表现在吸附作用方面的能力，与被吸附化合物的溶合力（solvated force）有关。当被吸附化合物的在水中的溶合力小于吸附力（adsorbability）时，它就会被逐渐富集（concentrate）在活性碳中。这也说明，为何「疏水性」化合物在水中很容易被活性碳吸附而除去的主要原因。 事实上，活性碳对物质的吸附能力，完全表现在伦敦分散力与气相的蒸气压力，或与液相的溶合力之间，相互「角力」的结果。当伦敦分散力较大时，即可以表现出对气体或液体分子的吸附力。由于气相的蒸气压力及液相的溶合力，可因温度的增加而加强，但伦敦分散力却不受影响，因此可以利用加热的方式，让气体或液体分子从活性碳表面脱离，这种逆向操作，我们称之为脱附（deadsorption）。 那些物质会被吸附 有那些物质会被活性碳吸附呢（what compounds are adsorbed）？从活性碳的吸附原理可知，凡是大分子化合物，特别是一些大分子有机物在溶剂中是很容易被吸附的；另外，某些大分子量的无机化合物，像碘化物及汞化物，也能被活性碳吸附。 一般而言，一定种类及比表面积相同的活性碳之吸附力，随着以下因素而被强化：（1）化合物分子量增加时，（2）化合物具有高数目像双键（double bonds）一类的官能基（functional groups），或高卤化物（halogen compounds）时，（3）化合物分子的电子云（electron clouds）易形成瞬间极性（polarisability）者（注：此性质与伦敦分散力的产生有绝对关系）。由于这些因素的影响，导致有些物质很容易被活性碳吸附，但有些不会。 离子性物质因具有永久性偶极矩（dipole moment），无法形在活性碳表面之间形成伦敦分散力，所以难以被吸附。水草的无机养分几乎都是离子性物质，所以在水草缸使用活性碳，无机养分应该不受活性碳吸附作用之影响。 化学吸附 化学吸附（chemical adsorption）是指气体或液体以类似于化学键之结合力，被吸附于活性碳表面的现象。此种吸附力之形成，可能是气体或液体分子内的键裂开，或其双键裂解，并与活性碳表层之碳原子产生新键之故。因此，具有选择性，且吸附作用仅限于表层。不过，关于它的反应机构现在还有许多不清楚的地方。 并非所有的活性碳都具有化学吸附能力，如果要使它具有此种吸附能力，必须进一步作「活化处理」，藉以清除活性碳中的杂质，这样才能防止杂质干扰活性碳表面的碳原子与被吸附分子之间化学键的形成。这也是衡量活性碳吸附特性的种要指标之一。凡具有化学吸附性质的活性碳称为「化学活性碳」。一般水族馆所贩卖者，通常不属于这一种。 化学吸附也能类似于物理吸附一般，具有脱附的性质。如果被吸附物质的脱附力（deadsorbability）大于其间的化学键力（bond forces），即能重新被释放出来。与物理脱附相似，在高温之下，脱附力可能大于化学键力而达到脱附之目的。不过不同于物理脱附者，被吸附的物质脱附之后，已经产生了化学变化，不再是原来的物质了。 再生 活性碳的脱附过程，我们称为再生（regenerated）。当活性碳的脱附作用的吸附性减弱后，可以让它「再生」后而能再继续使用。由于物理吸附与化学吸附的平均焓（enthalpy）皆为负值（-δh），属于放热反应，因此再生通常不会在自然的情况下自动发生，必须将活性碳单独取出另外做适当的处理。 活性碳再生时，一般使用水蒸气脱附再生。若仅针对物理吸附之再生，大约使用200-300℃之高压水蒸气在再生炉中加热处理即可。由于化学吸附所产生的作用力，比物理吸附强，所以它所需脱附再生的温度要高许多，例如，在操作时，它所需的高压水蒸气约至少高达400 ℃才能达到目的。在进行化学脱附的同时，也一并会进行物理脱附。 活性碳再生是一种技术性的操作，同时必须在专门的设备中才能进行，所以我们似乎只需了解其原理即可，没有必要真的尝试去做。如果活性碳的吸附性已经丧失，建议淘汰，若还有需要使用，最好还是重新选购较为适当。 |
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