中國粉體網訊 球形活性炭（SAC），作為一類具有球形外觀的活性炭材料的統稱。相較于傳統形態，SAC憑借機械強度高、流動性好、球形度高以及雜質灰分含量低等獨特優勢，在吸附凈化、能量儲存與轉化、催化、醫療、安全防護等領域展現出高效的性能，從而受到了人們的廣泛關注。
木質活性炭
圖源：韓研股份
1、球形活性炭制備技術水平
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。不同前驅體由于理化特性的不同，在制備工藝和應用領域上存在顯著差異。
SAC的前體材料
過去幾十年來，人們在SAC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、模板法等多種前驅體成球制備技術。
煤質活性炭和木質活性炭的典型制備工藝
為賦予SAC特殊孔道結構和特定功能，孔徑控制、活化、改性、石墨化等新技術也得到了廣泛應用。然而，目前SAC的產業化進程依舊面臨諸多挑戰，如制備工藝繁雜、再生能耗極高、功能化改性不足、應用場景受限等。與此同時，SAC的生產需要確保產品具有光滑無裂紋的球體形狀以及優異的機械強度，以避免在應用過程中發生破損或脫落，這些也是我們要改進的重點。
用不同官能團對活性炭進行表面改性技術示意圖
不同物理和化學活化制備的SAC物理性質
為滿足各領域對SAC粒徑和品種的需求，納米炭球（NCS）、中空納米炭球（HNCS）的制備和性能開發也已經逐漸成為研究熱點。
2、球形活性炭高端應用場景
（1）液體凈化
SAC憑借其高比表面積、多孔結構且表面攜帶可調的官能團，可以用于去除水中多余的氯、染料、藥物、重金屬等有機或無機污染物，達到提高水質、消毒殺菌的目的，主要應用在飲用水凈化、工業廢水及含磷廢水處理等領域。
不同前體制備SAC的物理性質及液相吸附效果
（2）氣體吸附
SAC在吸附揮發性有機化合物（VOCs）方面表現出色，其多孔結構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吸附領域展現出顯著優勢，對減少溫室氣體排放以及控制空氣污染具有重要的應用價值。
不同前體制備SAC的物理性質及氣相吸附效果
目前的探究表明，SAC前體的選擇、活化方式、目標污染物分子直徑等因素對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鍵具有類似于結晶缺陷的結構，有助于提高催化劑載體的催化效率，并且SAC耐酸堿性強，單獨作為催化劑時也不會發生溶解現象，容易合成，能夠控制物理性質和產率。
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（HDC）和負載型離子液相（SILP）催化劑中，載體的過濾、回收效率和重復使用性比傳統的粉末狀活性炭基催化劑高得多。值得注意的是，SAC催化穩定性和效率會受到分子大小和本身孔結構限制。
（4）能源儲存與轉化
在超級電容器領域中，超級電容炭從外部結構區分主要有兩類，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、循環壽命長等優勢。
國內外超級電容炭性能對比
球形活性炭制備的超級電容器在實際使用過程中，因球形活性炭之間存在的球形間隙和球面光滑，有助于電解液流動浸潤，因此可以減小電解液離子的穿梭阻力，且因球形結構使炭電極機械強度較高，耐磨性好，充、放電過程掉屑少，并能夠抵御高負載密度下快速充、放電過程中因體積變化而導致的結構塌陷和黏結，使其具有優秀的循環穩定性和高倍率特性。
在鋰離子電池等嵌入型儲能體系中，SAC顆粒的完整球形外殼能夠約束內部活性物質的體積膨脹，而其表面豐富的缺陷位點亦可促進鋰離子的均勻沉積，從而抑制電極粉化。
在儲氫領域中，儲氫材料面臨的主要挑戰包括儲氫密度低、難以在溫和條件下實現高效存儲與釋放以及循環壽命和成本問題。近期研究表明，通過精準調控炭材料的孔隙層級與表面化學態可實現高效儲氫，而SAC顆粒表現突出。
在儲熱領域中，SAC得益于自身優異的熱穩定性和機械強度，在高溫工況下仍能保持結構完整性。
（5）醫療科學
醫療科學領域對血液凈化材料的核心挑戰在于平衡生物安全性與功能性。SAC通過獨特的梯度孔隙系統（微孔-介孔-大孔）設計，在解決這一矛盾中展現出顯著優勢：納米級微孔通過分子尺寸篩分機制選擇性捕獲炎癥因子，介孔加速溶質傳質效率，而表面大孔可抑制血小板粘附。同時結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險，滿足植入式醫療設備的生物安全性要求。
（6）核生化防護
SAC憑借高抗壓強度、耐水性、熱穩定性、對堿性和酸性介質的耐化學性等優勢，被認為是最有潛力的制造化學防護服的吸附劑之一。SAC在核生化防護領域主要應用在呼吸道防護和皮膚防護兩個方向。其中，皮膚防護方面，一般使用活性炭復合織物。目前主要有6種活性炭復合織物，包括噴炭復合織物、摻炭纖維復合織物、顆粒炭/泡棉復合織物、活性炭纖維靜電植絨織物、高強度活性炭纖維織物和球形活性炭復合織物。
球炭復合織物是一種較為先進的防毒材料。在這種材料中，球形活性炭在織物表面點狀黏結，球炭表面的黏結劑覆蓋面積不超過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。
結語
在應用層面，SAC憑借其多級孔結構和高比表面積，已在液體凈化、氣體吸附、能源存儲、催化載體及醫療科學等領域展現出重要價值。然而，SAC的工業化進程仍受限于原料雜質控制不足、工藝能耗高、功能定向設計缺乏系統性等瓶頸。未來研究需重點圍繞原料精制、形貌構筑、孔隙調控、表面功能化及智能化設計等方向深化探索。
參考來源：
蔡岳玲：球形活性炭的研究進展：從制備到應用，國能基石化工科技（上海）有限公司
黃嬌：球形活性炭的制備、改性及應用研究進展，遼寧科技大學化工學院
吳永杰：超級電容器用活性炭的研究進展，中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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