中国古代早有“活性炭”净水系统！与今天我们所用有何区别？

水是生命之源。据说，人类文明的第一行脚印，就是踩在湿漉漉的水边。逐水而居，文明伴水而生。随着文明的发展，古人很早就意识到了健康和安全饮用水的重要性，也发现了饮用不洁水源与疾病的相关性。《吕氏春秋·尽数》便提到“轻水所多秃与瘿人”，意即“长期饮用轻水（水质轻浮、矿物质少的水）的地区，多出现秃头和患瘿病（甲状腺肿大）的人。”

这一认知在实践中不断深化。例如，浙江永嘉县溪口乡溪二村曾出土了一套明朝晚期的古代净水系统，其陶制水管铺设成复杂的水道，分阶段净化水质。水经过1号池的沙石瓦砾过滤后，再流进铺满了木炭的2号池——这可能就是历史上最早的“过滤活性炭”净水工艺了。

永嘉古代净水池平、剖面图

（图片来源：参考文献[1]）

其实，木炭的使用历史可以追溯到公元前1500年的古埃及，他们曾使用木炭净化油脂。印度古籍《苏仕鲁塔本集》中，也记载有木炭过滤水的案例。不过，当时真正的“活性炭”还未诞生，使用的还是普通木炭，其吸附能力较今天使用的活性炭相差甚远。

“熏烤几日亦称材，且把能为试一回。”从粗糙的木炭到高效的活性炭，人类对材料的探索，正是这样一次次尝试与改进的历程。

活性炭的诞生：一味黑时犹有骨，十分红处便成灰

活性炭的本质是一种经过特殊处理的碳材料。明代《天工开物》记载烧炭工艺时提到“火候过则烬”，这也体现了活性炭在烧制过程中的关键——控制热解与活化过程的平衡。一般来说，现代工艺中，活性炭的生产分为两步：首先，将原材料（如木材、椰壳、煤炭）经过高温热解（隔绝空气加热）形成初级碳结构；随后，对其进行关键操作“活化”——通入水蒸气或化学物质，在其内部和表面“凿刻”出错综复杂的孔道结构。

活性炭根据形态主要分为粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）。Rapheal von Ostrejko分别于1900年和1901年申请英国专利（B.P.14224、B.P.1804）以及德国专利（Ger.P.136792），发明了将金属氯化物炭化植物原料，或用二氧化碳或水蒸气与炭化材料反应制造活性炭的方法。1911年，奥地利某公司和荷兰某公司率先实现粉状活性炭的工业化生产，最初用于蔗糖脱色精制。

粉末状活性炭

（图片来源：Wikipedia）

而颗粒活性炭的规模化应用，则源于第一次世界大战期间对于防毒面具吸附材料开发的需求。战后，随着工业革命的深化，活性炭技术也逐渐转向民用领域,被广泛用于包括水处理等其他领域。

活性炭的优异吸附性能：污浊世间何所惧，清心涤虑自超然

清代章穆在《调疾饮食辨·卷二·水火》中记载：“以新瓦罐贮水，内投灶下烧透硬炭数块，亦可澄浊。盖炭质松多细孔，能吸取秽滓也”。正如书中所说，活性炭在活化过程中形成的孔隙赋予了其优异的吸附性能。这些丰富的孔隙结构让活性炭拥有了极其惊人的比表面积（内部孔道展开后的总面积），一茶匙优质活性炭的表面积甚至能接近一个足球场！正是这些迷宫般的孔道，构成了活性炭强大吸附能力的物理基础。

活性炭的孔隙可以按照尺寸分为三类；孔径小于2nm（纳米）为微孔，孔径在2～50nm为中孔，孔径大于50nm为大孔。活性炭中一般大孔占比很小，大部分作为吸附质分子的通路。中孔和大孔在多数情况下类似，也是作为吸附质的通路，但是最近的研究表明，中孔在吸附一些特殊性质的吸附质中也发挥着重要作用。微孔一般被认为是决定吸附量的主要结构。此外，通过改变活性炭表面的官能团结构（如含氧或含氮官能团），可以改变其对于吸附质的吸附性能。

活性炭净水的研究进展：孰知木黔善制水，火出木尽全其真

活性炭在水处理中的应用最早发生在1927年，当时美国芝加哥自来水厂因原水苯酚污染导致加氯后产生氯酚恶臭，首次采用粉末活性炭（PAC）进行应急处理。随后在1930年，全球首个颗粒活性炭（GAC）吸附池建成于美国费城，专门用于饮用水除嗅。

活性炭在饮用水系统中的应用，右图为某实际水厂活性炭滤池。

（图片来源：c参考文献2）

在我国，活性炭在净水处理工艺中的应用目前多为臭氧-生物活性炭工艺，主要利用活性炭作为微生物的载体来实现水质净化。但是，面临现阶段饮用水中的新污染物风险，尤其是难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为经济有效的技术手段之一。

近年来，如何根据全氟化合物等新污染物的特性制备可高效吸附全氟化合物的活性炭是目前的研究热点。全氟化合物本身是一类具备疏水疏油性质的表面活性剂，由疏水疏油的炭氟链和不同的亲水头部官能团组成。研究发现，通过改性活性炭界面使全氟化合物的头部官能团与特定位点（如硅等）结合，疏水疏油的炭氟链与活性炭骨架结合，从而调控PFAS的排布方式可以显著提升其吸附量，可以有效解决饮用水PFAS污染的问题(参考文献[3])。

活性炭技术历经百年发展，从芝加哥水厂的应急除臭起步，到今日的定制化除污，核心逻辑始终围绕孔隙调控与表面功能化。未来，活性炭在污染物深度净化方面将愈发重要，其发展既是材料科学的突破，也是与环境工程的智慧融合。

参考文献：

[1]蔡钢铁,黄培量,陈继跃.浙江永嘉县溪口村明代净水池的清理[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：科普中国

作者：黄鑫（中国科学院生态环境研究中心副研究员）

监制：中国科普博览