水處理中活性炭吸附技術(shù)應(yīng)用研究

李 欣

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與環(huán)境技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

活性炭又稱(chēng)活性炭黑，根據(jù)生產(chǎn)工藝與原材料的不同，其顏色也有所不同，但一般呈黑褐色?；钚蕴繛槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，并且材料比表面積較大、吸附性能極強(qiáng)、疏水性較強(qiáng)?；钚蕴堪凑招螒B(tài)分為粒狀活性炭、粉末狀活性炭和木質(zhì)活性炭?；钚蕴坎粌H可以去除水體異味、有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)，還可以吸附酚類(lèi)物質(zhì)，甚至對(duì)重金屬污染水質(zhì)也有一定的吸附作用，因此在城市生活污水處理、工業(yè)廢水處理、凈化水資源等水處理領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。

2 活性炭特性

活性炭作為一種具有發(fā)達(dá)微孔構(gòu)造、較大比表面積的暗黑色含炭物質(zhì)，不僅化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、耐酸堿性較強(qiáng)，還具有良好的吸附性能，因此最初被應(yīng)用于制糖業(yè)，而后被廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。

活性炭對(duì)制造原料的要求并不高，幾乎可以用含碳的任何物質(zhì)作為原材料，具體制造過(guò)程主要分為炭化和活化兩個(gè)階段：炭化也叫做熱解，是在隔絕空氣情況下加熱原材料，溫度一般控制在600℃以下；活化是在氧化劑的作用下加熱炭化后材料，進(jìn)而形成活性炭產(chǎn)品[1]。

3 活性炭吸附原理與影響因素

3.1 活性炭吸附原理

（1）物理吸附

活性炭產(chǎn)生物理吸附的主要原因是當(dāng)活性炭固體表面原子力場(chǎng)不飽和時(shí)，所產(chǎn)生表面能將通過(guò)吸附分子的方式而被降低，大量孔隙增加了活性炭的吸附面積，使其具有很強(qiáng)的吸附能力。

（2）化學(xué)吸附

活性炭產(chǎn)生化學(xué)吸附的主要原因是活性炭吸附劑和吸附質(zhì)表面會(huì)進(jìn)行電子交換或共用，因此一旦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者之間就會(huì)有化學(xué)鍵形成，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)吸附。

3.2 活性炭吸附影響因素

活性炭吸附似簡(jiǎn)單，但具體吸附原理與過(guò)程較為復(fù)雜并受諸多因素影響。具體如下：

（1）活性炭性質(zhì)

活性炭表面具有吸附質(zhì)的附著點(diǎn)，而吸附劑比表面積將影響其吸附功能。一般活性炭比表面積越大，所具有的吸附性能越強(qiáng)。當(dāng)然，比表面積大并不意味著吸附效果好，如空隙分布情況、表面性質(zhì)等都會(huì)對(duì)活性炭吸附產(chǎn)生影響。

（2）吸附質(zhì)性質(zhì)

活性炭吸附會(huì)受到吸附質(zhì)性質(zhì)的影響。當(dāng)應(yīng)用同一種活性炭時(shí)，污染物不同則吸附量不同。例如：帶有表面負(fù)電的活性炭，會(huì)對(duì)正價(jià)離子具有很好的吸附效果，而對(duì)部分像砷酸根、鉻酸根等負(fù)離子基本沒(méi)有吸附效果。吸附質(zhì)的溶解度、分子構(gòu)造、分子大小以及化學(xué)結(jié)構(gòu)等均能影響其吸附效果。當(dāng)吸附質(zhì)的濃度處于一定的范圍內(nèi)，其吸附容量會(huì)隨著濃度的增高而逐漸增大，且在達(dá)到一定程度后，逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）溶液pH 值

表面活性炭吸附與溶液pH 值之間關(guān)系密切。當(dāng)活性炭與吸附質(zhì)處于不同pH 值時(shí)，所具有的性質(zhì)不同，溶液pH 值會(huì)控制酸性或堿性化合物解離度，使pH 值處于一定范圍，部分化合物離解則會(huì)影響這些化合物的荷電情況，從而影響其吸附效果。除此之外，溶的pH 值也會(huì)影響吸附劑表面性質(zhì)，如可能會(huì)造成活性炭表面質(zhì)子化，從而對(duì)影響其吸附效果。

（4）溫度

溫度對(duì)活性炭吸附效果的影響沒(méi)有pH 值的影響大，溫度較低會(huì)有利于物理吸附，高溫則有利于化學(xué)吸附[2]。

4 水處理中活性炭吸附技術(shù)應(yīng)用

水處理領(lǐng)域較常用的活性炭分為粉末狀和顆粒狀兩種。粉末狀活性炭由于比表面積更大，其吸附效果更好。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將粉末狀活性炭與水溶液混合，攪拌至懸浮狀態(tài)，可以使其發(fā)揮更好的吸附作用，但這樣的吸附方式較難回收，容易二次污染水體。顆粒狀活性炭主要是指吸附柱、固定床等填料，不僅回收再生容易，還具有較強(qiáng)的可操作性，但其吸附能力有限，吸附效率也較低。近幾年，逐漸出現(xiàn)了其他特殊形態(tài)的活性炭產(chǎn)品，如炭纖維布、炭氈等，這些產(chǎn)品因成本較高而在水處理中的應(yīng)用并不多。

水處理中活性炭吸附技術(shù)應(yīng)用具體表現(xiàn)為以下幾方面。

4.1 吸附重金屬離子

在重金屬離子吸附過(guò)程中，不僅是活性炭的孔道、比表面積和空腔容量大小等因素會(huì)影響吸附效果，活性炭表面穩(wěn)定性與可調(diào)節(jié)性也會(huì)產(chǎn)生影響，如活性炭表面的氧、氮可以與重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

由于工業(yè)廢水中往往含有大量重金屬離子，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)重大安全隱患，因此人們充分利用了活性炭結(jié)構(gòu)密度的特點(diǎn)，對(duì)活性炭鏈接式的密度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其對(duì)重金屬離子的吸附與分解更加迅速。活性炭的微孔結(jié)構(gòu)有助于吸附重金屬中陰離子，從而對(duì)使重金屬中含有的元素進(jìn)行改性，使其表面吸附的陰離子與金屬離子相互作用。特別是六價(jià)鉻離子，通過(guò)在電鍍廢水中進(jìn)行化學(xué)吸附，可以去除水中微量鉻，使其符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 吸附水中有機(jī)物

處理水中有機(jī)污染物時(shí)，活性炭的吸附效果較好。例如：對(duì)酚類(lèi)化合物、石油與石油產(chǎn)品、除草劑、農(nóng)藥、合成洗滌劑以及人工合成有機(jī)化合物等有機(jī)污染物產(chǎn)生很強(qiáng)的去除功效，而這些有機(jī)污染物往往使用生物法和化學(xué)法都難以處理。不僅吸附效果好，還不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，這些優(yōu)勢(shì)都是活性炭得以廣泛應(yīng)用的原因之一。此外，活性炭吸附技術(shù)還可以去除微污染有機(jī)物，這更是其他方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，活性炭一般將過(guò)濾作為最后處理步驟。

大量實(shí)踐研究表明，盡管飲用水中含有較少鹵乙酸（HAAs），但致癌風(fēng)險(xiǎn)卻比三鹵甲烷（THMs）更高。因此在去除水中消毒副產(chǎn)物前質(zhì)時(shí)，一般會(huì)采用臭氧化生物活性炭進(jìn)行深度處理工藝，通過(guò)控制消毒副產(chǎn)物的生成來(lái)確保飲用水的安全性[3]。

4.3 凈化污染水源

普通的凈水工藝很難將水中雜質(zhì)、污染元素以及有機(jī)物清除干凈，而活性炭分子對(duì)于水中多元化元素有著很強(qiáng)的吸附效果，因此利用粉末狀活性炭可以吸附清潔水中雜質(zhì)與異味。這種方法最早出現(xiàn)在西方國(guó)家，并且粉末狀活性炭只適用于去除氨水的異味，而對(duì)于季節(jié)性、高壓污染的水源凈化卻并不適用。另外，在利用粉末狀活性炭處理污染水源過(guò)程中，要適當(dāng)加入懸浮液，并根據(jù)水質(zhì)嚴(yán)格把控懸浮液用量，因此要在靠近原水泵或澄清池前加藥。然而，這樣的方式重復(fù)性不高且抗干擾能力不強(qiáng)，已經(jīng)逐漸被顆粒炭所取代。

在水處理中，顆粒狀活性炭主要通過(guò)吸附柱或吸附塔的方式進(jìn)行。即使吸附飽和，也可以再生，即恢復(fù)其吸附能力。

4.4 處理城市污水

采用二級(jí)污水處理技術(shù)很難清除干凈水中的微生物雜質(zhì)，因而導(dǎo)致出水質(zhì)量難以符合相關(guān)要求。我國(guó)部分地區(qū)水資源匱乏，污水回用就變得非常重要，因此對(duì)排放水質(zhì)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，這就使得充分利用活性炭吸附技術(shù)去除污水中殘留的溶解性有機(jī)物等雜質(zhì)變得非常關(guān)鍵，這也是城市污水與工業(yè)廢水深度處理的重要方式之一。

二沉池二級(jí)處理水一般需要經(jīng)過(guò)砂濾、活性炭吸附以及消毒等工藝，而活性炭吸附二級(jí)處理水則通過(guò)單塔靜態(tài)運(yùn)行、多塔串聯(lián)運(yùn)行，使水的質(zhì)量符合回用要求[4]。

4.5 處理含油污水

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，石油已成為了較為常見(jiàn)的污染源，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。市場(chǎng)上很多物品的含油量越來(lái)越高，并且廣泛分布在各行業(yè)領(lǐng)域。近些年，含油污水的處理方式層出不窮。在諸多處理方式中，活性炭吸附技術(shù)具有較好的吸油、溶解作用，但由于其處理成本較高，并且吸附油量有限，因此只能作為含油污水處理的最后一級(jí)凈水工藝，用于深層吸附、凈化污水中殘留有機(jī)物，使讓水中含油量得到有效溶解。

5 結(jié)語(yǔ)

活性炭吸附技術(shù)因其價(jià)格便宜、不需投入太多設(shè)備成本、處理速度十分快速，而在水處理中的應(yīng)用由來(lái)已久，尤其適用于工業(yè)廢水與城市污水的深度處理，在煉油等行業(yè)的廢水回收處理中也十分常見(jiàn)[5]。目前，我國(guó)活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，活性炭吸附技術(shù)的價(jià)值仍未充分發(fā)揮出來(lái)，因此為了保護(hù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境，需要相關(guān)工作人員持續(xù)探索活性炭吸附技術(shù)的應(yīng)用方式與適用范圍。