中國古代早有“活性炭”凈水系統！與今天我們所用有何區別？

水是生命之源。據說，人類文明的第一行腳印，就是踩在濕漉漉的水邊。逐水而居，文明伴水而生。隨著文明的發展，古人很早就意識到了健康和安全飲用水的重要性，也發現了飲用不潔水源與疾病的相關性。《呂氏春秋·盡數》便提到“輕水所多禿與癭人”，意即“長期飲用輕水（水質輕浮、礦物質少的水）的地區，多出現禿頭和患癭病（甲狀腺腫大）的人。”

這一認知在實踐中不斷深化。例如，浙江永嘉縣溪口鄉溪二村曾出土了一套明朝晚期的古代凈水系統，其陶制水管鋪設成復雜的水道，分階段凈化水質。水經過1號池的沙石瓦礫過濾后，再流進鋪滿了木炭的2號池——這可能就是歷史上最早的“過濾活性炭”凈水工藝了。

永嘉古代凈水池平、剖面圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

其實，木炭的使用歷史可以追溯到公元前1500年的古埃及，他們曾使用木炭凈化油脂。印度古籍《蘇仕魯塔本集》中，也記載有木炭過濾水的案例。不過，當時真正的“活性炭”還未誕生，使用的還是普通木炭，其吸附能力較今天使用的活性炭相差甚遠。

“熏烤幾日亦稱材，且把能為試一回。”從粗糙的木炭到高效的活性炭，人類對材料的探索，正是這樣一次次嘗試與改進的歷程。

活性炭的誕生：一味黑時猶有骨，十分紅處便成灰

活性炭的本質是一種經過特殊處理的碳材料。明代《天工開物》記載燒炭工藝時提到“火候過則燼”，這也體現了活性炭在燒制過程中的關鍵——控制熱解與活化過程的平衡。一般來說，現代工藝中，活性炭的生產分為兩步：首先，將原材料（如木材、椰殼、煤炭）經過高溫熱解（隔絕空氣加熱）形成初級碳結構；隨后，對其進行關鍵操作“活化”——通入水蒸氣或化學物質，在其內部和表面“鑿刻”出錯綜復雜的孔道結構。

活性炭根據形態主要分為粉末活性炭（PAC）和顆粒活性炭（GAC）。Rapheal von Ostrejko分別于1900年和1901年申請英國專利（B.P.14224、B.P.1804）以及德國專利（Ger.P.136792），發明了將金屬氯化物炭化植物原料，或用二氧化碳或水蒸氣與炭化材料反應制造活性炭的方法。1911年，奧地利某公司和荷蘭某公司率先實現粉狀活性炭的工業化生產，最初用于蔗糖脫色精制。

粉末狀活性炭

（圖片來源：Wikipedia）

而顆粒活性炭的規模化應用，則源于第一次世界大戰期間對于防毒面具吸附材料開發的需求。戰后，隨著工業革命的深化，活性炭技術也逐漸轉向民用領域,被廣泛用于包括水處理等其他領域。

活性炭的優異吸附性能：污濁世間何所懼，清心滌慮自超然

清代章穆在《調疾飲食辨·卷二·水火》中記載：“以新瓦罐貯水，內投灶下燒透硬炭數塊，亦可澄濁。蓋炭質松多細孔，能吸取穢滓也”。正如書中所說，活性炭在活化過程中形成的孔隙賦予了其優異的吸附性能。這些豐富的孔隙結構讓活性炭擁有了極其驚人的比表面積（內部孔道展開后的總面積），一茶匙優質活性炭的表面積甚至能接近一個足球場！正是這些迷宮般的孔道，構成了活性炭強大吸附能力的物理基礎。

活性炭的孔隙可以按照尺寸分為三類；孔徑小于2nm（納米）為微孔，孔徑在2～50nm為中孔，孔徑大于50nm為大孔。活性炭中一般大孔占比很小，大部分作為吸附質分子的通路。中孔和大孔在多數情況下類似，也是作為吸附質的通路，但是最近的研究表明，中孔在吸附一些特殊性質的吸附質中也發揮著重要作用。微孔一般被認為是決定吸附量的主要結構。此外，通過改變活性炭表面的官能團結構（如含氧或含氮官能團），可以改變其對于吸附質的吸附性能。

活性炭凈水的研究進展：孰知木黔善制水，火出木盡全其真

活性炭在水處理中的應用最早發生在1927年，當時美國芝加哥自來水廠因原水苯酚污染導致加氯后產生氯酚惡臭，首次采用粉末活性炭（PAC）進行應急處理。隨后在1930年，全球首個顆粒活性炭（GAC）吸附池建成于美國費城，專門用于飲用水除嗅。

活性炭在飲用水系統中的應用，右圖為某實際水廠活性炭濾池。

（圖片來源：c參考文獻2）

在我國，活性炭在凈水處理工藝中的應用目前多為臭氧-生物活性炭工藝，主要利用活性炭作為微生物的載體來實現水質凈化。但是，面臨現階段飲用水中的新污染物風險，尤其是難氧化降解的持久性污染物如全氟化合物等，活性炭吸附仍然是最為經濟有效的技術手段之一。

近年來，如何根據全氟化合物等新污染物的特性制備可高效吸附全氟化合物的活性炭是目前的研究熱點。全氟化合物本身是一類具備疏水疏油性質的表面活性劑，由疏水疏油的炭氟鏈和不同的親水頭部官能團組成。研究發現，通過改性活性炭界面使全氟化合物的頭部官能團與特定位點（如硅等）結合，疏水疏油的炭氟鏈與活性炭骨架結合，從而調控PFAS的排布方式可以顯著提升其吸附量，可以有效解決飲用水PFAS污染的問題(參考文獻[3])。

活性炭技術歷經百年發展，從芝加哥水廠的應急除臭起步，到今日的定制化除污，核心邏輯始終圍繞孔隙調控與表面功能化。未來，活性炭在污染物深度凈化方面將愈發重要，其發展既是材料科學的突破，也是與環境工程的智慧融合。

參考文獻：

[1]蔡鋼鐵,黃培量,陳繼躍.浙江永嘉縣溪口村明代凈水池的清理[J].考古,2008,(08):49-54+102-103.

[2]Yanyi Wang, Shengyin Tang*,Hang Luo,Kairan Zhang,Yanjun Li,Kai Yang, Xihui Zhang*, Unraveling the Key Factors Affecting the Bacterial Community and ARGs in Full-Scale Drinking Water Biological Activated Carbon Filters: Enriched Antibiotics, ACS EST Water 2024, 4, 3475?3485

[3] Xin Huang, Junhao Huang, Kaiyun Wang, Mingming Hao, Mengze Geng, Baoyou Shi*, Chengzhi Hu, Comparison of perfluoroalkyl substance adsorption performance by inorganic and organic silicon modified activated carbon, Water Research, 260 (2024) 1121919

出品：科普中國

作者：黃鑫（中國科學院生態環境研究中心副研究員）

監制：中國科普博覽