炭材料分类：传统炭、新型碳材料，益处与应用探索

炭材料主要分为传统炭材料和新型炭材料两种，传统炭材料主要有活性炭、活性炭纤维：新型炭材料有碳纳米管、石墨烯、生物炭和复合炭材料。

（一）传统炭材料

1.活性炭

活性炭具有以石墨微晶为基础的无定型结构，其中微晶是二维有序的六角形晶格，另一维则是不规则的连接，一个石墨微晶单位很小，厚度为0.9～1.2 nm（3～4倍石墨层厚）、宽度为2～2.3 nm。这种结构注定活性炭具有发达微孔结构和超强的吸附性能。活性炭具有像石墨晶粒却无规则排列的微晶。在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，这些孔隙，特别是微孔提供了巨大的比表面积。活性炭几乎95％以上的表面积都在微孔中，因此微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容积一般为0.02～1.0 mL/g，表面积最高可达几百平方米，一般约为活性炭总表面积的约5％。中孔能吸附蒸汽，并为吸附物提供进入微孔的通道，还能直接吸附较大分子。大孔孔隙容积一般为0.2～0.5 mL/g，表面积0.5～2 m2/g，其作用一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小孔隙中去；二是作为催化载体时，催化剂少量沉淀在微孔内，大都沉淀在大孔和中孔中。

2.活性炭纤维

活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF）是20世纪60年代发展起来的一种性能优于粉末活性炭和颗粒活性炭的新型吸附材料，其超过50％的碳原子位于内、外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。一般的活性炭纤维的比表面积可达到1000～1 600 m2/g，且以微孔为主。活性炭纤维的孔隙结构与通常的活性炭有许多明显的区别。活性炭表面粗糙、凸凹不平，而活性炭纤维则比较光滑。活性炭含有较多的无机杂质，灰分较高。而活性炭纤维是以有机聚合物或沥青为原料生产的，灰分低，其主要元素是碳，碳原子在活性炭纤维中以类石墨微晶的乱层堆叠形式存在，三维空间有序性差。

（二）新型炭材料

1.碳纳米管

碳纳米管是一种典型层状中空结构，是由石墨烯卷曲而形成的无缝的、纳米量级的管状结构。碳纳米管具有如下特性：（1）力学性能。碳纳米管较短的碳原子间距和极小的管径，导致其独特的力学性质一极高的强度和极强的韧性。单层碳纳米管的杨氏模量是钢的5倍，而其密度只有钢的1/6。而其弹性应变可达12％；电学性能，碳纳米的单层结构是石墨片结构，其导电性能与管径和管壁的螺旋角有关，不同类型的碳纳米管，其导电性能也不相同。单壁碳纳米管导电性能良好，银齿形碳纳米管和手型碳纳米管则部分为半导体性、部分为金属性。（2）热学性能。碳纳米管的传热是沿着管径方向进行传递的，同时与管径垂直方向热交换较低，导热率可达2 000 W/m，良好。（3）储氢性能。碳纳米管的中空结构及其高比表面积使其成为潜在的新型储氧材料。

2.石墨烯

石墨烯作为一种碳质的新材料，面密度为0.77 mg/m2，由碳六元环按照二维（2D）蜂窝状点阵结构紧密组成，其碳原子的排布相同于石墨单原子层的排布。

石墨烯可翘曲成零维的富勒烯（fullerene），卷成一维的碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）或者堆叠成三维的石墨（graphite），因此石墨烯被认为是构建其他石墨材料的基本单元。由于石墨烯的特殊结构，它的厚度可达0.335 nm，而比表面积却高达2 600 m2/g。同时，作为近年来发现的二维碳素晶体，石墨烯拥有优秀和突出的力学性能、热力学性能和电学性能，此外也被证明理想状态下有良好的储氢潜力，其纳米结构也十分独特。石墨烯具有较大的比表面积，理论上少量的加入量就可以对聚合物基体性能产生显著的影响。然而石墨烯表面又呈惰性状态，与其他介质的界面相容性较差，且石墨烯层与层之间有较强的范德华力，相互间容易产生聚集，所以石墨烯难于分散于水及常用的有机溶剂等介质中。石墨烯自被发现以来，在理论研究和实际应用方面已经充分展现出无穷魅力，吸引了国内外的众多学者对其进行研究。(www.xing528.com)

3.生物炭

生物炭一般是指生物质原材料在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度（＜700℃）热解产生的碳含量高、具有较大比表面积的固体生物燃料，也称为生物质炭。常见的生物炭包括木炭、稻壳炭、秸秆炭和竹炭等。生物炭整个体系主要由具有石墨结构的碳或单质和芳香烃碳组成，由于生物炭碳原子之间存在很强的原子亲和力，所以生物炭不管是在低温还是在高温环境下都能够表现出很好的稳定性。在微观结构上，生物炭大多是由高度扭曲和紧密堆积的芳香环结构层组成，当然这与热解温度也存在着一定的关系。不仅如此，生物炭的元素组成不仅与生物质原料有关，与热解碳化温度也有着密切关系，众所周知，一般生物炭碳含量在60％左右，其他元素主要是N、O、H等，当热解碳化温度升高时，碳含量和灰分会增加，而O、H的含量则会下降。生物炭具有高度芳香化和羧酸酯化的内在结构，熔沸点很高，但可溶性却很低。

生物炭从组成上可以归为碳质部分和灰分部分，因此可据此划分为三类：低碳，高灰分生物炭：中等碳、中等灰分生物炭和高碳、低灰分生物炭。在未来的几年里，我们还需要对不同用途的生物炭特性加强研究，通过更多的室外试验和实际应用来确定具有特殊性质的关键生物炭。

总之，生物炭是一种具有微观结构、理化性质特殊的富碳材料，是未来环境领域和农业领域的潜在应用者。但是，由于生物炭制备过程粗犷、原料来源差异性较大、表面基团种类有限，导致其应用仍处于试验阶段，在实际应用中较少。

4.复合炭材料

（1）粉末活性炭与超滤组合

现代水处理中，超滤膜（UF）和反渗透膜（RO）已成为深度处理的主要工艺，但当原水中有机物、无机物、微生物和胶体物质含量过高时，会造成膜表面和膜孔的累积，将造成膜表面的堵塞，影响膜的运行寿命。利用活性炭作为UF的前处理可去除污水中大部分有机物，降低COD，从而缓解UF膜和RO膜阻塞和膜的污染问题，可延长膜的使用时间。

（2）石墨烯与SiO2的复合

SiO2价廉、无毒害、化学稳定，具有生物相容性和多功能性，对石墨烯表面进行纳米材料修饰，可克服石墨烯和纳米材料本身易聚集的问题。同时，复合材料相比单独的纳米SiO2提供了更大的比表面积。

（3）生物炭一磁性复合材料

利用生物炭自身具有的吸附性能，将其与其他材料复合制成新的材料，可以赋予生物炭新的性能。将吸附剂磁化是一种新兴的水治理技术，吸附后可以通过外加磁场将吸附材料回收，克服了非磁性吸附剂固液分离难的问题，从而为生物炭的应用提供了新的优势。