活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應用

蘇曉濛，湯昊洋，呂偉，戴立紅，吳少青，端震(南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，江蘇 南京 210019)

0 引言

活性炭是很優(yōu)質(zhì)的吸附劑，幾乎沒有任何可見的危害，所以使用上不會有過多限制。除了吸附，它還有催化特性，所以在凈化方面的表現(xiàn)也是有不俗的效果。在進行改性后，它常被用在處理水中，即便是可溶的物質(zhì)，也可以被吸附，從而提升水的潔凈程度。同時還可以除臭，并將其中部分細小的生物過濾掉。鑒于其突出的功能，在水處理中的價值得到了普遍肯定[1]。

1 活性炭概述

1.1 內(nèi)涵

活性炭是最早被應用的碳質(zhì)材料，根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會的定義：活性炭是炭在炭化前、炭化時、炭化后經(jīng)過與氣體或與化學作用以增加吸附性能的多孔炭?；钚蕴烤哂胸S富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積，是一種工業(yè)廢水處理中廣泛使用的吸附材料。與生物質(zhì)、樹脂基活性炭相比，煤作為活性炭的前驅(qū)體具有原料來源廣、價格低廉、含碳量高、物理性質(zhì)好、易再生、抗磨損等特點，其豐富的表面官能團及孔結(jié)構(gòu)可調(diào)性對廢水處理具有獨特的優(yōu)勢。我國從低煤化度的褐煤到高煤化度的無煙煤均有分布，以不同類型的煤種作為前驅(qū)體可以制備出不同孔結(jié)構(gòu)的活性炭，通過改變活性炭的表面酸、堿性，在炭表面引入或去除某些官能團使活性炭具有某種特殊吸附性能。對活性炭孔徑調(diào)整的目的就是將活性炭的孔隙直徑與吸附質(zhì)分子尺寸調(diào)整到合適比例，以獲得最佳吸附效果，控制活化劑的種類及用量，可以靈活地控制活性炭的吸附特性[2]。

1.2 改性方法

1.2.1 表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性是利用相關(guān)的氧化劑對其進行一系列有效地處理，在經(jīng)過處理后，加強對雜質(zhì)的處理能力。這種做法能使表層在氧化下，官能團的數(shù)量增加，從而更加親水?；谶@種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，能對一些自帶極性的雜質(zhì)產(chǎn)生更大牽引力，從而將其吸附在活性炭上。一般應用范圍較廣的氧化劑包括高錳酸鉀、硝酸、氯酸鹽、雙氧水等，其中氧化作用最佳的是硝酸，它可以產(chǎn)生大量的酸性基團。因為別的氧化劑的作用相對較弱，一般不會直接用在改性中，而是用來改變表層的pH值。在將改性的流程全部完成后，通?？梢栽诒砻嫔嫌^察到很多有規(guī)則的幾何形狀的結(jié)構(gòu)，這可以作為判斷改性是否成功的依據(jù)。如果能做好對氧化劑的配比與使用，就能得到特性有所差異的活性炭，從而適配于不同的處理。一般情況下，氧化程度可以對酸性含氧官能團的總含量造成一定程度的影響。

1.2.2 表面還原改性

活性炭的表面還原改性是利用相關(guān)的還原劑對表層的官能團進行還原改性反應。通過這種辦法，可以讓官能團呈一定比例的減少，進而使表面有更高的極性，形成更大的吸附力。因為極性的變大，能使對于帶有相反極性的雜質(zhì)產(chǎn)生力的作用變大。在進行這種類型的改性時，一般會用氨水這種最普及的試劑，基于對效果的考慮，也可以用氮氣。通過這些還原劑，也能夠達到改變性質(zhì)的目的，但完成后會使官能團的數(shù)量變化，這不僅不會遏制性能的發(fā)揮，還會對一些特定種類的雜質(zhì)更加有效。

1.2.3 負載金屬改性

活性炭的表層負載金屬改性是有效利用一系列的溶性鹽中所富含的大量金屬離子，通過負載的作用，施加到材料的表面。在這種狀態(tài)下，再加以高溫，使碳原子與之發(fā)生反應，進而形成含碳的化合物。這就會導致碳的丟失，使活性炭上面的縫隙會變大，從原理上分析，它將能有更強的吸附性。此外，離子之間也是會在化學鍵的極性下，產(chǎn)生相互的力，所以也可以吸附，進而在一定范圍內(nèi)進行聚合，只不過相對有限。通過對硝酸鐵和硫酸鐵對活性炭進行一系列的負載改性，由改性原理可知，在高溫的支持下，鹽會發(fā)生分解，而這些離子會立刻進行聚合，形成各種化合物。而它們會作用于活性炭，在經(jīng)過一系列化學反應后，其中的縫隙變得更大，總體的表面積也會隨之增大。在此期間，金屬鹽受高溫影響被活性炭還原，孔徑也有一定程度的增加。

1.3 水處理特征

首先，活性炭能被用于處理，因為它的吸附性是相當優(yōu)秀的，而且對一些可以溶于水中的有機物是有效的?；钚蕴恐虚g有大量且十分微小的縫隙，最小的能達到10 nm以下，所以表面積要比從外觀上看起來要大很多，能達到500～1 700 m2/g，這是吸附力的來源。這種特點讓它能對絕大多數(shù)污染物進行吸附，從而相對簡便地將它們從水中分離出來，這是功能的來源，也可以被用在水處理中的理論依據(jù)。這能讓水變得很潔凈，即便不再進行其他處理，也能被二次使用。同時，活性炭的普適性很強，能應對各種狀況下的水體，即便是在高溫下，也能生效。而對于單一種類的污染，不論濃度有多高，或水量多大，都將有相同的效果，不會因此被縮減?，F(xiàn)在大多數(shù)以活性炭為主體的處理設備，體積通常很小，便于運輸，使用沒有限制。

2 活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應用

本章節(jié)主要分兩部分對活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應用進行了詳細闡述，主要內(nèi)容如下。

2.1 活性炭凈化技術(shù)在生活污水處理中的具體應用

活性炭凈化技術(shù)是一種常見于污水處理中的技術(shù)，通過將活性炭這種吸附劑運用到污水的處理中，從而使雜質(zhì)被吸附在其表面來實現(xiàn)凈化污水的目的?；钚蕴烤托螒B(tài)來說一般分為粉狀和粒狀兩種，前者在污水處理中有著較為悠久的歷史?；钚蕴康脑牧弦话慵性诶鴱U料、果殼和木材等，雖然果殼是一種最佳的活性炭原材料，但是由于存在各種因素的束縛，使得這種原材料的活性炭價格較高，不利于活性炭的普及和使用[3]。為了改變這種現(xiàn)狀，越來越多的國家開始研究以垃圾廢料來制作活性炭的方法，現(xiàn)階段我國在這方面已經(jīng)取得了一定的成就。

2.1.1 活性炭的運作原理

在實際的污水處理過程中，活性炭吸附雜質(zhì)是一項較為復雜的過程，涉及到化學雜合力、分子作用力和離子吸引力之間的相互影響和作用，所以在活性炭的制作過程中需要根據(jù)不同的污水處理需求來制作不同標準的活性炭。活性炭之所以能夠吸附水中的雜質(zhì)，主要還是因為它本身就具備多孔的特征，所以它在污水處理中能夠?qū)⒁环N或者以上的雜質(zhì)吸附在其表面，從而實現(xiàn)凈化污水的目標。水中的微生物、有機物甚至臭味都可以成為活性炭的吸附對象，所以活性炭的應用范圍較為廣泛。在活性炭吸附雜質(zhì)的過程中，通常會包含快速擴散和慢速擴散兩種形式，溶質(zhì)分子通過碳分子中大孔進行擴散則屬于快速擴散，可以吸附大量的雜質(zhì)。而溶質(zhì)分子在通過碳分子中的大孔擴散至連接大孔的細孔中時，細孔的口徑較小，阻力增大，所以擴散速度開始變慢，此時便為慢速擴散。由此兩種溶質(zhì)分子的擴散形式可以看出，活性炭的吸附能力不僅與碳分子的表面有著關(guān)聯(lián)，還與連接大孔的細孔的口徑存在緊密的聯(lián)系。大孔就好比汽車行駛中的高速公路，為溶質(zhì)分子提供路徑，所以大孔決定了溶質(zhì)分子的吸附力。當然，水中的有機物呈現(xiàn)出各種大小分子的狀態(tài)，而細孔占碳分子表面的比重呈壓倒性優(yōu)勢，所以細孔決定著碳分子吸附量的高低。一般來說，溶質(zhì)分子的吸附主要受分子作用力的影響，而不同的活性炭的孔徑大小和結(jié)構(gòu)分布有著很大的不同，所以每種活性炭對于溶質(zhì)分子的吸附能力也有所不同。鑒于此，在生活污水的實際處理過程中，需要根據(jù)不同的污水處理需求來選擇不同類型的活性炭，從而提高凈化生活污水的能力?；钚蕴康倪\作原理圖如圖1所示。

2.1.2 生物活性炭技術(shù)在污水處理中的應用

活性炭由于其存在獨特的多孔結(jié)構(gòu)，所以具備較高的吸附能力和催化能力，再加上它有著生產(chǎn)方便、耐高溫和耐酸堿的特點，在污水處理中不會造成二次污染，使得它成為當前最受歡迎的一種污水吸附劑。污水處理中，活性炭不僅可以吸附水中的苯酚、有機物和油漬，還可以吸附一些難聞的氣味，對于水質(zhì)的凈化有著非常明顯的效果。就活性炭的吸附方式來說，目前常見的有流動床、移動床、固定床和接觸吸附，比如前面提到的粉狀形態(tài)的活性炭就只能通過接觸的方式來吸附污水中的雜質(zhì)。粉狀形態(tài)的活性炭在吸附的過程中，涉及到分子作用力和離子吸引力之間的相互影響和作用，過程也相對較為復雜。為了能夠?qū)⒒钚蕴績艋夹g(shù)水平提升至一個新的臺階，國內(nèi)外對于活性炭凈化技術(shù)的研究從未中斷過，一種新的活性炭凈化技術(shù)便出現(xiàn)在了大眾的視野范圍內(nèi)，即BAC技術(shù)。BAC的中文名是生物活性炭，通過在活性炭上固定微生物，實現(xiàn)活性炭吸附水中有機物，微生物分解有機物的雙重目標。這一技術(shù)結(jié)合了微生物分解有機物的特點，在污水的處理過程中發(fā)揮了巨大的作用，所以已經(jīng)被廣泛運用至實際的生活污水處理工程當中。BAC技術(shù)通過將活性炭吸附有機物、微生物分解有機物融合為一體，可以給固定在活性炭上面的微生物提供必要的營養(yǎng)供給，而微生物對于有機物的分解又為活性炭的再次利用提供了可能性。目前，這種新型技術(shù)已經(jīng)被我國運用至日常的生活污水處理當中，已經(jīng)取得了非常顯著的成效。

2.1.3 活性炭聯(lián)用技術(shù)在生活污水處理中的應用

現(xiàn)階段，生活污水導致的水體污染現(xiàn)象屢見不鮮，各種類型的水體污染層出不窮。如果只靠活性炭的單一吸附功能，已經(jīng)不能滿足于處理生活污水的需求，也不符合時代發(fā)展的標準。為了更好地應對和處理各種復雜的水質(zhì)污染，活性炭聯(lián)用技術(shù)便應運而生。在這些常見的活性炭聯(lián)用技術(shù)當中，最為典型的是活性炭與膜的聯(lián)用、活性炭與二氧化鈦的聯(lián)用、活性炭與高錳酸鉀的聯(lián)用。

首先，在日常的生活中，雖然水污染已經(jīng)得到了一定程度解決，但是對于水質(zhì)污染的預防工作一直是頭等大事，尤其是生活中的飲用水，更是被稱作“生命之源”。為了居民能夠在日常生活中喝上健康的飲用水，需要通過活性炭與膜的聯(lián)用技術(shù)來實現(xiàn)對飲用水的深度凈化處理。按膜的孔徑的大小來進行劃分的話，膜包含超濾膜、納濾膜和反滲透膜三種類型，可以根據(jù)實際的需要來選擇不同的膜。這種膜與活性炭的聯(lián)用技術(shù)能夠有效避免只用其中一個凈化裝備的缺陷。其次，二氧化鈦是一種非常優(yōu)秀的光解催化劑，在水質(zhì)的防污方面有著非常好的效果。通過將其與活性炭進行聯(lián)用，不僅可以提高活性炭的吸附能力，也可以加速污水處理中光解反應的進度。最后，高錳酸鉀是一種去除有機物的重要材料，所以將其與活性炭聯(lián)用，可以加快污水中有機物的凈化速度。

2.2 煤基活性炭在焦化水處理中應用的研究進展

焦化廢水是焦化企業(yè)在煉焦、煤氣凈化、化工產(chǎn)品回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的具有高濃度、高污染、劇毒性的有機廢水。焦化廢水包含氨類化合物、苯酚類化合物、硫化物、氰化物以及難降解的萘、蒽、苯并芘、苯并蒽等多環(huán)芳香烴類物質(zhì)與含氮、硫、氧等雜環(huán)芳香烴類物質(zhì)，對于人體及環(huán)境危害極大。經(jīng)研究，焦化廢水經(jīng)兩級處理后(預處理+生化處理)廢水中有機污染物含量較高，需要進行深度處理，而活性炭對于廢水中的有機污染物具有較好的處理效果。未來煤基活性炭生產(chǎn)定然會朝著自動化規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展。并且我國目前還擁有大量小型煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)，大部分中小型煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)，主要生產(chǎn)的是活性炭中低檔產(chǎn)品，生產(chǎn)技術(shù)薄弱市場競爭力不足。這些企業(yè)想要不被市場經(jīng)濟的發(fā)展而淘汰，那么必須要不斷優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)，改變經(jīng)營理念，擴大生產(chǎn)規(guī)模。所以規(guī)?；a(chǎn)也是我國未來煤基活性炭生產(chǎn)的主要發(fā)展方向。

3 結(jié)語

活性炭在吸附性上有很好的表現(xiàn)，還能被重復地使用，所以在價值的體現(xiàn)上十分優(yōu)秀。這種材料經(jīng)常被用在水處理中，并變成某個特定的環(huán)節(jié)，而且是不能被取代的。但不能忽略的是，在真正被使用前，還要對其特性做出評價，以此確保它能在處理中有預期的表現(xiàn)。而改性恰恰可以增強活性炭各方面特性，進而在使用中有更為突出的反饋，所以經(jīng)常將其與水處理相聯(lián)系。然而，我們在改性時，仍有一些不可取的做法，這要被逐步改正。