活性炭在化學(xué)生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

朱永太，李玉平，張志雨，仇榮春

（鹽城普魯泰克炭素有限公司，江蘇鹽城 224300）

褐煤加工過程極易產(chǎn)生成分復(fù)雜、高色度且具有極大毒性的廢水，主要采用預(yù)處理-好氧生物處理技術(shù)進行褐煤提質(zhì)廢水，然而該工藝仍舊殘留有少量難降解的有機物，為此要引入孔隙結(jié)構(gòu)相對活躍、比表面積較大的活性炭，利用其較強的吸附能力吸附溶解水中的有機物，進行褐煤加工廢水的深度處理，提高工業(yè)廢水深度處理和回用效果。

1 活性炭吸附及芬頓高級氧化技術(shù)在廢水深度處理中的應(yīng)用

活性炭的吸附作用主要是一種或多種溶質(zhì)選擇性地由液體/氣體向顆粒團聚物的方向遷移，利用溶質(zhì)與吸附劑之間性質(zhì)不同的結(jié)合力實現(xiàn)物理/化學(xué)吸附，可以較好地應(yīng)用于廢水深度處理工藝之中，吸附溶解水中的污染物，如：無機污染物、有機污染物、重金屬離子等，降低廢水中COD 的濃度、色度和濁度。

芬頓高級氧化技術(shù)是采用二價鐵與過氧化氫（芬頓試劑）處理工業(yè)廢水，利用芬頓試劑的強氧化特性改變有機分子的結(jié)構(gòu)，催化反應(yīng)生成強氧化性官能團，有效處理廢水中有毒且較難處理的有機物。要注意的是，盡管芬頓氧化法能夠有效去除水中有機物，然而芬頓反應(yīng)要在酸性環(huán)境下進行，對pH 值的要求較高，并在反應(yīng)之后還要進一步去除出水中濃度較高的鐵離子，適用于污染物濃度低、污染水質(zhì)少的情形。

2 實驗方案及指標測定分析

2.1 實驗指標的測定

在準備實驗儀器和藥品之后，要進行實驗指標的測定，主要包括有：①COD 濃度的測定。將10mL 重鉻酸鉀標準溶液置于500mL 錐形瓶中，添加100mL 蒸餾水和30mL 濃硫酸，混勻冷卻之后添加三滴試亞鐵靈指示劑，以硫酸亞鐵銨溶液滴定，直至溶液由黃色變?yōu)樗{綠色最后成為紅褐色為止。②色度的測定。取不同容量的500°鉻鈷標準溶液置于50mL 比色管中，稀釋混勻，采用石英比色皿測定吸光度。③氨氮的測定。采用納氏試劑光度法測定游離態(tài)或銨離子等形式存在的氨氮。

2.2 活性炭實驗方案

①活性炭投加量的影響。對10 個500mL 裝有200mL 原水的燒杯投加活性炭，分別為2g、4g、6g、8g、10g、12g、14g、16g、18g、20g，再用六聯(lián)攪拌器以400r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌1h，離心并測量水中的COD、色度和氨氮。②pH 值的影響。以H2SO4和NaOH 調(diào)節(jié)水樣的pH 值，使之分別為1、3、5、7、9、11，投加適宜的活性炭，攪拌1h 再離心測量水體的COD、色度和氨氮。③反應(yīng)時間的影響。以H2SO4和NaOH 調(diào)節(jié)水樣的pH 值，投加適宜的活性炭，分別攪拌5min、15min、30min、45min、60min、80min、110min、140min，再離心測量水體的COD、色度和氨氮。

2.3 芬頓-活性炭實驗方案

采用芬頓-活性炭實驗，將400mL 原水分別添入10 個燒杯中，以H2SO4調(diào)節(jié)pH 值為3，并投加24.94mmol/L 的H2O2、31mmol/L 的FeSO4，進行反應(yīng)，實驗結(jié)束后以NaOH調(diào)節(jié)pH 值為8，再將燒杯靜置沉淀，1h 后取上清液。同時，采用GC/MS 法對褐煤提質(zhì)廢水進行常規(guī)水質(zhì)分析：COD 為160～230mg/L、NH4+-N 為80～90mg/L、pH 為8.4～8.6、色度為400～450倍，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示褐煤提質(zhì)廢水遠超出污水綜合排放一級標準[1]。

3 活性炭性能及其吸附行為分析

3.1 活性炭性能

要預(yù)先進行活性炭的預(yù)處理，以去離子水清洗活性炭，在烘箱中烘干再置于棕色瓶中，分析活性炭相關(guān)吸附指標可知：孔徑為1～1.5nm 的活性炭主要吸附中小型分子；孔徑為1.5～1.8nm 的活性炭主要吸附微孔和中小孔的污染物；孔徑為0.7nm 的活性炭主要吸附中型的分子。

3.2 活性炭靜態(tài)吸附影響因素分析

在進行活性炭靜態(tài)吸附實驗之中，不同因素對其結(jié)果有一定的影響：①活性炭投加量對污染物去除率的影響。粒徑為20～30目的活性炭在投加量為20g 的情況下COD 的去除率為97%；6～8目活性炭的投加量為12g 時的COD 去除率為81%；10～20目活性炭的投加量為14g 時的COD 去除率為76.5%，綜合考慮去除效果和經(jīng)濟性等角度，本文選擇6～8目的12g 活性炭作為處理褐煤提質(zhì)廢水的適宜用量。②不同pH 對污染物去除率的影響?；钚蕴康淖罴盐絧H 值為5，能夠極其明顯地在酸性環(huán)境下去除污染有機物。同時，6～8目的活性炭在pH值為5時的最高色度去除率為88%，10～20目的活性炭在pH值為5時的最高色度去除率為87.5%，20～30目的活性炭在pH值為3時的最高色度去除率為87.5%。綜上可知，當pH 值為5時，活性炭能夠最大程度上去除廢水中的COD、色度；而當pH值為7時，活性炭對廢水中氨氮的去除率達到最高值。③吸附時間對污染物的去除影響。6～8目的活性炭在0～30min 時的色度去除度明顯增加，在30min～80min 時的色度去除度緩慢增加，之后進入吸附平衡狀態(tài)，吸附量保持不變[2]。

4 芬頓-活性炭對褐煤提質(zhì)廢水深度處理分析

原有的活性炭吸附褐煤提質(zhì)廢水污染物的方法仍舊無法達到水質(zhì)排放標準，為此可以采用芬頓試劑，對褐煤提質(zhì)廢水進行氧化預(yù)處理，再以活性炭進行吸附，實現(xiàn)對褐煤提質(zhì)廢水的深度處理和回用。

4.1 芬頓試劑對褐煤提質(zhì)廢水深度處理效果分析

芬頓試劑主要是利用羥基自由基的超強氧化性能，對難以降解的物質(zhì)進行深度氧化，各因素對實驗處理效果的影響具體表現(xiàn)為：①n（H2O2）:n(Fe2+）對處理效果的影響。當n（H2O2）:n(Fe2+）為3時，芬頓試劑深度處理褐煤提質(zhì)廢水的效果最佳，COD 和色度的去除率達到峰值。②初始pH 值對處理效果的影響。由于過酸環(huán)境會阻止Fe3+的還原生成，無法高效氧化去除污染物；而堿性較強的環(huán)境又會影響OH-的生成，降低有機物的氧化效果。為此，要將pH 值設(shè)置為3，才能滿足芬頓反應(yīng)的高效進行。③芬頓試劑投加量對處理效果的影響。綜合考慮應(yīng)用效果和經(jīng)濟性條件，選擇1.0倍作為最佳投藥量，將H2O2的投加量設(shè)定為24.94mmol/L，F(xiàn)eSO4的投加量設(shè)定為8.31mmol/L，能夠較好地提高反應(yīng)效果。④反應(yīng)時間對處理效果的影響。當H2O2投加量為24.94mmol/L、FeSO4投加量為8.31mmol/L 時，當反應(yīng)時間延長時,出水COD、色度去除率相應(yīng)增大，1h 之后的去除率則相對趨緩，由此可以選擇1h 作為反應(yīng)最佳時間。

4.2 芬頓-活性炭對褐煤提質(zhì)廢水深度處理實驗

①活性炭投加量的影響。在芬頓-活性炭系統(tǒng)之中，進行芬頓氧化預(yù)處理之后，對廢水中的COD 和色度去除率有所提高，選取10～20目活性炭投加量為4g 時，COD 值為58.46，去除率可達66.37%；當10～20目活性炭投加量為8g 時，色度值為58倍，去除率可達86.37%。但對氨氮的去除效果并不明顯。②不同pH 的影響。芬頓-活性炭系統(tǒng)中的pH 值調(diào)節(jié)為5時能夠使COD 去除率達到最大值90.53%，然而綜合COD 去除效果和經(jīng)濟性因素，選取pH 值調(diào)節(jié)為3時為宜。③吸附時間的影響。芬頓-活性炭系統(tǒng)中的6～8 目、10～20 目和20～30目活性炭在80min 后趨于穩(wěn)定，分別穩(wěn)定在85.42%、87.81%、98.57%。

4.3 活性炭重復(fù)使用分析

可以將活性炭作為催化劑進行重復(fù)使用，以6～8目的活性炭為例，在反應(yīng)初期能夠有效實現(xiàn)對污染物的吸附，而隨著反應(yīng)時間的延長，對COD 的吸附去除率逐漸下降[3]。

5 小結(jié)

綜上所述，芬頓試劑較好地應(yīng)用于褐煤提質(zhì)廢水的處理工藝之中，可以采用芬頓-活性炭系統(tǒng)進行工業(yè)廢水的深度處理和回用，通過相關(guān)實驗考察和分析活性炭投加量、pH 值、吸附時間對活性炭處理效果的影響，選取適宜的活性炭粒徑和用量，達到顯著的污染物去除效果。后續(xù)還要選取更多的污染物指標，深入探討活性炭孔徑結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)對廢水的吸附效果的影響，更加科學(xué)合理地提高工業(yè)廢水的深度處理和回用效率。