工業(yè)水處理中的粉末活性炭?jī)羲夹g(shù)

遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司 遼寧省阜新市 123000

摘要：近年來(lái)，國(guó)家、社會(huì)對(duì)水處理的重視程度越來(lái)越高，為可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)利益，必需提升工業(yè)水處理的質(zhì)量。在長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展道路上，有限的水資源不斷被浪費(fèi)和破壞，然后不斷探究水處理的技術(shù)將對(duì)自身乃至全球在循環(huán)利用項(xiàng)目上帶來(lái)重要意義。粉末活性炭以其自身的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的工業(yè)水處理方面得到廣泛應(yīng)用，因此探究粉末活性炭的水處理工藝是技術(shù)人員永恒不變的課題。鑒于此，本文對(duì)工業(yè)水處理中粉末活性炭?jī)羲奶幚砑夹g(shù)進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：粉末活性炭；工業(yè)水處理；凈化；吸附

一、活性炭的基本性質(zhì)

活性炭是一種多孔徑的炭化物，有極豐富的孔隙構(gòu)造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用藉物理及化學(xué)的吸咐力而成的，其外觀色澤呈黑色。其成份除了主要的碳以外，還包含了少量的氫、氮、氧，其分子結(jié)構(gòu)形似一個(gè)六邊形，由于不規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)，確定了其多體枳及高表面積的特點(diǎn)，比表面積高達(dá)1000～3000 m 2/g。

1、孔結(jié)構(gòu)特性

活性炭材料的結(jié)構(gòu)比較特殊，從晶體學(xué)角度看，由石墨微晶和碳?xì)浠衔锝M成，屬于非結(jié)晶性物質(zhì)。其固體部分之間的間隙形成了活性炭材料的孔隙，賦予活性炭材料特有的吸附性能。按照孔徑的大小可分為微孔（直徑<2 nm）、中孔（直徑2～50 nm）和大孔（直徑>50 nm）。微孔具有很強(qiáng)的吸附作用，主要是其具有很大的比表面積；中孔，又叫中間孔，能用于添載觸媒及化學(xué)藥品脫臭；大孔通過(guò)微生物及菌類(lèi)在其中繁殖，就可以使無(wú)機(jī)的碳材料發(fā)揮生物質(zhì)的功能。

2、表面化學(xué)特性

活性炭的吸附性能不僅取決于其物理結(jié)構(gòu)，更取決于其表面化學(xué)性質(zhì)。表面化學(xué)特性一般與活性炭的原材料、表面官能團(tuán)的種類(lèi)與數(shù)量、表面雜原子、化合物的種類(lèi)與狀態(tài)等因素有關(guān)，不同的表面官能團(tuán)、雜原子、化合物會(huì)影響活性炭的表面酸堿性、親疏水性、催化性能、表面潤(rùn)濕性、吸附選擇性能等。研究活性炭材料表面的含氧官能團(tuán)的表征手段時(shí)，指出活性炭材料表面可能存在下面幾種含氧官能團(tuán)：羰基、酸酐、乳醇基、羧基、醌基、醚基、內(nèi)酯基、酚羥基。

二、活性炭的吸附作用

如今工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水的污染嚴(yán)重，為解決水質(zhì)污染問(wèn)題，必須經(jīng)過(guò)多道工序?qū)λM(jìn)行去污處理。活性炭種類(lèi)繁多，不同的活性炭的吸附能力和吸附物質(zhì)也更有不同。從90年代初期一直到現(xiàn)在，人們應(yīng)用活性炭?jī)羲饕菫榱巳コ械娜u甲烷和少量的有機(jī)污染物。[1]因?yàn)檫^(guò)量的三鹵甲烷能刺激人體細(xì)胞使其變異從而發(fā)生癌變，所以在對(duì)飲用水進(jìn)行凈化時(shí)必須去除三鹵甲烷。通常，凈水廠會(huì)使用二氧化氯對(duì)三鹵甲烷進(jìn)行處理，但這一方法不僅成本高而且存在安全隱患，因此在對(duì)飲用水進(jìn)行消毒之前，一般先用活性炭去污，吸附水中的三鹵甲烷。

活性炭很強(qiáng)的吸污去污能力，它的凈水作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）活性炭具有除臭作用，它能除去水中石油、酚等物質(zhì)產(chǎn)生異味，并對(duì)這些物質(zhì)有一定的吸附作用。（2）活性炭具有去色作用，它能除去水中由金屬或者植物分解而成的物質(zhì)的顏色，并且能降低有機(jī)物顏色的色度，從而除去水中的雜色。（3）活性炭有能夠去除水中的三鹵甲烷。被工業(yè)污水污染的水中會(huì)含有一定數(shù)量的三鹵甲烷，它對(duì)人體的安全健康危害很大，活性炭可以有效吸附三鹵甲烷。（4）去除農(nóng)藥等有機(jī)污染物。目前，水質(zhì)被污染的元兇就是各類(lèi)有機(jī)物如殺蟲(chóng)劑、芳香族化合物，這類(lèi)物質(zhì)不能被水中的生物消化而對(duì)水質(zhì)造成污染。（5）除去水中的重金屬成分。重金屬含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致人體中毒，例如汞、鉛，嚴(yán)重的還能致人死亡。

三、粉末活性炭?jī)羲夹g(shù)

1、概述

粉末活性炭利用自身的吸附能力對(duì)于化學(xué)、氣味等有機(jī)物有著吸附作用，粉末活性炭的吸附容量大、效率高、效果好，在顆粒相互碰撞的作用下，更提升了其吸附作用和容量的增加。利用粉末活性炭的吸附作用對(duì)水體中的溶解性有機(jī)物含量降低，去除物質(zhì)中的異味，是生產(chǎn)加工工藝簡(jiǎn)單但十分有效的凈化材料。

粉末活性炭在發(fā)揮其吸附作用時(shí)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，是由多種作用力共同發(fā)揮產(chǎn)生的效果。分子間的作用力是運(yùn)動(dòng)不息的，在分析分子間的作用力可以得知當(dāng)一個(gè)分子被吸附到活性炭的孔隙中后，其他的分子由于運(yùn)動(dòng)不止會(huì)隨之被吸附進(jìn)去，并且分子組成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)持續(xù)不斷的被活性炭吸收。

2、粉末活性炭的技術(shù)要點(diǎn)

在活性炭的選擇上，要選擇最佳的炭種。活性炭分為煤質(zhì)活性炭、果殼活性炭、木質(zhì)活性炭三類(lèi)，不同類(lèi)型的活性炭的特性也不同，要根據(jù)實(shí)地的供貨情況及水質(zhì)處理需要選擇合適的類(lèi)型。通過(guò)反復(fù)實(shí)踐得出結(jié)論，煤質(zhì)活性炭的經(jīng)濟(jì)性較高，木質(zhì)活性炭的處理效果最好。顆粒體積更小的粉末活性炭在相同總體積下因其外表面積最大，也就是說(shuō)可吸附面更大，提高了活性炭的利用率也提升了吸附速率。

四、粉末活性炭的凈水原理

粉末活性炭的吸附作用原理較為復(fù)雜，其吸附效果會(huì)受到多種作用力的影響，其中，分子之間的相互作用力是影響活性炭吸附能力的關(guān)鍵性因素。物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分子之間還會(huì)出現(xiàn)相互吸附的關(guān)系，任何一個(gè)分子被吸附到活性炭?jī)?nèi)部，都會(huì)導(dǎo)致其他分子被持續(xù)性地吸入到活性炭的孔隙之中，從而形成一種活性炭持續(xù)吸附物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)。由活性炭吸附雙速率擴(kuò)散理論可知，活性炭的吸附作用包括迅速擴(kuò)散過(guò)程和緩慢擴(kuò)散過(guò)程兩個(gè)雙速過(guò)程階段。從迅速擴(kuò)散過(guò)程來(lái)看，指的是水中的被吸收分子由活性炭顆粒內(nèi)沿向阻力較小的碳粒孔隙中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，由于活性炭具有較高的孔隙，因而擴(kuò)散阻力相對(duì)較大，在溶質(zhì)分子向活性炭微孔中擴(kuò)散時(shí)，由于孔隙相對(duì)狹小，因而阻力更加明顯，這就會(huì)降低擴(kuò)散的速度。粉末活性炭是一種主要內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類(lèi)吸附劑，它的微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有很強(qiáng)的吸附性能！活性炭是由許多石墨型層狀結(jié)構(gòu)的微晶不規(guī)則集合而成，由于活性炭顆粒結(jié)構(gòu)小，微孔結(jié)構(gòu)很多，因而具有很大的內(nèi)表面積，在對(duì)于色度\"味\"化學(xué)有機(jī)物等的吸附作用上，不僅吸收速度快，而且吸收容量大，效果好。在加上活性炭顆粒之間的碰撞作用，就更加有利于其吸附作用的發(fā)揮，促進(jìn)了吸附容量的增加。運(yùn)用粉末活性炭吸附作用處理水，能降低水體中的溶解性有機(jī)物含量，同時(shí)粉末活性炭也能去除異味物質(zhì)，并且生產(chǎn)方便。

五、活性炭性質(zhì)的影響

1、孔徑大小

吸附劑的孔隙大小不僅影響其吸附速度，而且還直接影響吸附量的大小。若孔徑太大則比表面強(qiáng)烈降低，從而對(duì)溶質(zhì)的吸附量也會(huì)急劇減少。若活性炭的孔徑太小，則會(huì)幾乎完全不吸附某些溶質(zhì)；為了選擇合適孔徑的吸附劑時(shí)，溶質(zhì)分子的臨界大小應(yīng)在吸附劑的孔徑范圍內(nèi)。

2、表面化學(xué)官能團(tuán)

影響吸附的最主要的因素是活性炭本身的性質(zhì)，其中最重要的表面官能團(tuán)，它作為活性中心支配了活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)，對(duì)吸附起著關(guān)鍵性的作用。活性炭的表面官能團(tuán)主要包括羧基、羥基、酚羥基、氫醌基、酯基、酮基、醛基、醌基等。通過(guò)硝酸改性對(duì)活性炭吸附的研究表明吸附速率主要受微孔結(jié)構(gòu)限制，而最大吸附量與表面酸性官能團(tuán)和微孔結(jié)構(gòu)都相關(guān)。研究了活性炭對(duì)苯酚的吸附能力與活性炭的總酸度不存在規(guī)律性的關(guān)系，但和活性炭表面上的羧基和酚羥基數(shù)量密切相關(guān)，活性炭的羧基和酚羥基數(shù)量減少，對(duì)苯酚的吸附量增加，反之亦然，羧基和酚羥基數(shù)量增加，對(duì)苯酚的吸附量減少。

發(fā)現(xiàn)采用表面化學(xué)氧化法和負(fù)載金屬的方法使活性炭表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，根據(jù)某一種有機(jī)硫化物的特性，有針對(duì)性地選擇不同的負(fù)載金屬氧化物的種類(lèi)，會(huì)取得良好的吸附效果。其中負(fù)載Fe 3+的活性炭對(duì)汽油中難脫除的有機(jī)硫化物噻吩類(lèi)硫化物表現(xiàn)出較好的吸附能力，對(duì)苯并噻吩的脫除率達(dá)到了85.1%。采用輔助通入臭氧、金屬鹽浸漬改性等途徑進(jìn)行活性炭吸附凈化低濃度VOCS增強(qiáng)效果的研究，探索了上述措施對(duì)活性炭吸附凈化較低濃度有機(jī)物的強(qiáng)化作用。研究發(fā)現(xiàn)活性炭聯(lián)合H2 O 2處理青霉素效果優(yōu)于單純使用活性炭。黃紅梅采用浸漬-微波法制備載鐵活性炭。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，載鐵活性炭對(duì)大分子天然有機(jī)物、難降解有機(jī)物雙酚A及草甘膦的飽和吸附量及吸附速率均有不同程度增加，吸附能力增強(qiáng)。

六、粉末活性炭在工業(yè)水處理中的應(yīng)用

1、現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，大量的工業(yè)廢水的產(chǎn)生和排放，對(duì)自然資源的污染破壞日趨加劇，使得人們對(duì)水資源的保護(hù)重視起來(lái)，對(duì)污水的處理更加投入精力研究。在目前，粉末活性炭?jī)艋幚砑夹g(shù)應(yīng)用的最為廣泛，通過(guò)大量的技術(shù)實(shí)踐總結(jié)，粉末活性炭?jī)艋幚砑夹g(shù)得到了更多的認(rèn)可，成為被普遍接受的水處理方式。然而粉末活性炭以其投資小、價(jià)格低廉、處理效果好得到了普遍的認(rèn)可，但在實(shí)際應(yīng)用中還沒(méi)有得到充分的普及，在將來(lái)必然有更廣泛的推廣空間。

2、發(fā)展趨勢(shì)

為降低成本，確保經(jīng)濟(jì)利益的合理化，在處理嚴(yán)重的污染水質(zhì)時(shí)必須加大粉末活性炭的投加量，勢(shì)必造成成本的上升。因此提升活性炭的吸附效率、吸附容量、吸附利用率技術(shù)上進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉末活性炭的重復(fù)利用也是將來(lái)的技術(shù)課題。只有通過(guò)不斷的技術(shù)實(shí)踐，才能使粉末活性炭在工業(yè)水處理上發(fā)揮更大作用。

3、粉末活性炭技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用

在以上篇幅中，我們已經(jīng)了解到粉末活性炭技術(shù)的原理及技術(shù)要點(diǎn)，但是其在實(shí)際生活中是如何應(yīng)用的，本節(jié)內(nèi)容將對(duì)該技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用方法做詳細(xì)介紹。

在煤質(zhì)、木質(zhì)、果殼三類(lèi)活性炭材質(zhì)中，要針對(duì)工業(yè)水凈化的水質(zhì)成分去合理選擇活性炭類(lèi)型。考慮的主要依據(jù)是活性炭?jī)艋男Ч徒?jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)，分析工業(yè)排水中的水質(zhì)成分狀態(tài)，針對(duì)不同的水質(zhì)污染情況來(lái)選擇合適的活性炭類(lèi)型，才能最大程度的節(jié)省成本發(fā)揮凈化效果。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

3.1投加點(diǎn)的選擇

選擇投加點(diǎn)的原則是盡量能讓活性炭有充足的時(shí)間接觸工業(yè)水，盡可能的讓粉末活性炭充分吸附溶質(zhì)分子。除此之外，還要考慮到投加點(diǎn)是否可以攪拌，較好的攪拌條件可以讓溶質(zhì)充分?jǐn)嚢枰岳诜勰┗钚蕴康奈叫始涌欤⑹够钚蕴扛浞值呐c工業(yè)水相接觸更大限度的吸附溶質(zhì)物質(zhì)。同時(shí)還要考慮到混凝劑與粉末活性炭投加的距離，避免相互間的競(jìng)爭(zhēng)吸附。不同的工業(yè)水質(zhì)決定了粉末活性炭的投加點(diǎn)的不同，所以，應(yīng)結(jié)合水質(zhì)來(lái)合理選擇投加點(diǎn)。

在投加粉末活性炭和混凝劑時(shí)，需要對(duì)兩者之間投加的距離進(jìn)行適當(dāng)控制，防止兩者之間出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性吸附。不同的粉末活性炭投加點(diǎn)，其對(duì)于不同水質(zhì)所產(chǎn)生的吸附效果也存在較大差異。在確定粉末活性炭的投加點(diǎn)時(shí)，需要對(duì)該點(diǎn)能否符合充分?jǐn)嚢枰筮M(jìn)行考慮，這樣一方面能夠提高活性炭的吸附效率，另一方面還有助于工業(yè)廢水與活性炭的最大限度接觸，從而提高溶質(zhì)物質(zhì)的吸附效果。

3.2投加量的確定

需處理的工業(yè)水污染程度決定了粉末活性炭的投加量，從日常的實(shí)踐中看出，投加量很難做到十分精確，當(dāng)然也不需要達(dá)到相當(dāng)精確的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，投加量要達(dá)到較好的效果一般在達(dá)到30mg/L的含量，當(dāng)然投加量與污染物的去除率成正比，就是說(shuō)投加量增加，污染物的去除率也增加。然而在確保污染物的去除率的基礎(chǔ)上也要兼顧經(jīng)濟(jì)性，所以可以通過(guò)攪拌實(shí)驗(yàn)來(lái)確定投加量，從而確保投加量的經(jīng)濟(jì)合理性。

通過(guò)無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)，在色度的去除功能上粉末活性炭表現(xiàn)較好，色度低說(shuō)明去除金屬離子和有機(jī)物的能力強(qiáng)。粉末活性炭與混凝劑投加的時(shí)間差較大，因而相互不會(huì)造成較大的影響，粉末活性炭則可以將吸附能力充分發(fā)揮。在去除臭味的功能上粉末活性炭也表現(xiàn)較好，在工業(yè)水處理方式上，也普遍采用粉末活性炭去除陰離子洗滌劑。當(dāng)然粉末活性炭也不可投加過(guò)量，水中活性炭的含量過(guò)高，對(duì)讓微小炭粒穿透濾池，對(duì)水濁度帶來(lái)影響，因此要嚴(yán)格控制濾速和濾池出水濁度。

工業(yè)廢水粉末活性炭投放量的增加，有助于污染物質(zhì)去除率的提高，只有投放量超過(guò)30mg/L時(shí)，才能夠達(dá)到最為理想的吸附效果。工業(yè)水處理中粉末活性炭投放量的確定原則為：第一，粉末活性炭投加量需要在考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，保證其上限不能穿透濾池。第二，投加量下限的確定原則為濾后相關(guān)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在處理工業(yè)水時(shí)，若粉末活性炭投放量不足，雖然避免了浪費(fèi)提高了吸附效率，但卻無(wú)法保證徹底有效地吸附工業(yè)水中的污染物質(zhì)。相反，若粉末活性炭投放量過(guò)多，則會(huì)造成活性炭浪費(fèi)現(xiàn)象，增加水處理的成本。

3.3選擇合適的凈水工藝

在用活性炭?jī)羲畷r(shí)，必須選擇合適的活性炭投入時(shí)間和投入量，以保證達(dá)到最好的凈水效果。①投放活性炭后，要對(duì)污水進(jìn)行充分的攪拌，使活性炭和水能夠迅速接觸。②要盡可能將活性炭和水的混合時(shí)間控制在合理范圍內(nèi)。既能使水完全凈化，又不會(huì)對(duì)其他凈水劑干擾。③盡量選用表面積大、體積小的活性炭。這樣可以使同等重量的活性炭發(fā)揮最大的吸附功能；選取空隙豐富的木質(zhì)活性炭，以最大限度提高活性炭的吸附能力④依照活性炭投入量大小和凈水條件，選擇濕式或干式投入方式。

經(jīng)過(guò)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕钚蕴績(jī)羲幚恚械拇蟛糠钟袡C(jī)物已經(jīng)被去除，膠狀物質(zhì)的含量也大幅度降低。經(jīng)過(guò)一定的處理，活性炭還能被循環(huán)利用進(jìn)行污水凈化工作。

七、討論

實(shí)踐研究結(jié)果證實(shí)，投加粉末活性炭對(duì)于色度的作用效果更加理想，色度低說(shuō)明金屬離子和有機(jī)物的去除效果較為理想。粉末活性炭同時(shí)有助于酚類(lèi)物質(zhì)的去除，且去除效果較好。粉末活性炭對(duì)于陰離子洗滌劑的去除效果也較為明顯，且這一吸附作用在工業(yè)水處理中也得到了廣泛的應(yīng)用。

原有的工業(yè)水處理技術(shù)通常僅僅是將水中的細(xì)菌、膠體雜質(zhì)和懸浮物去除，而隨著近年來(lái)水源水質(zhì)有機(jī)物污染嚴(yán)重程度的加深，污染水體中膠體顆粒的表面特性也發(fā)生了一定的改變，進(jìn)而影響混凝效果，降低水體中溶解狀體微量有機(jī)物的吸附能力。而粉末活性炭則能夠有效去除水中合成有機(jī)物、氯化有機(jī)物、色度和味道，這也正是粉末活性炭在工業(yè)水處理中得到廣泛應(yīng)用的主要原因，能夠有效避免傳統(tǒng)水處理技術(shù)存在的種種缺陷。同時(shí)，粉末活性炭的投放方式也相對(duì)較為簡(jiǎn)便，吸附循環(huán)時(shí)間較短，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本也就更低，所以，需要從工業(yè)水的實(shí)際污染程度和類(lèi)型出發(fā)，對(duì)粉末活性炭的類(lèi)型進(jìn)行選擇。

結(jié)束語(yǔ)

粉末活性炭?jī)羲夹g(shù)作為人們?cè)诠I(yè)水處理中的一項(xiàng)重要的應(yīng)用，使人們孜孜不倦的致力于該技術(shù)的應(yīng)用中，本文通過(guò)介紹該技術(shù)的基本理論，最終討論出最合理的應(yīng)用方法，從而為人們?cè)谠摷夹g(shù)的探索道路上指明方向。若想要提升工業(yè)水處理的技術(shù)以及水的質(zhì)量，必須對(duì)粉末活性炭?jī)羲に嚨闹饕夹g(shù)和關(guān)鍵問(wèn)題著重分析。在對(duì)處理前后的工業(yè)水進(jìn)行檢測(cè)分析之后，得出水質(zhì)數(shù)據(jù)，來(lái)證明水中的有害成分消除情況。希望我國(guó)能夠通過(guò)粉末活性炭在凈水技術(shù)上的不斷提升，在工業(yè)水處理的應(yīng)用上得到更大的推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘啟寧.微污染水源水廠水質(zhì)提升改造技術(shù)應(yīng)用研究[D].南昌大學(xué)，2014.

[2]楊琳娜.家用活性炭?jī)羲鲗?duì)飲用水中有機(jī)物深度凈化性能研究[D].上海師范大學(xué)，2014.

[3]李芳.臭氧/曝氣—生物活性炭濾池凈水效果及應(yīng)急處理苯酚污染的對(duì)比研究[D].華南理工大學(xué)，2014.

[4]林縣平.中置曝氣懸浮陶粒—生物活性炭雙層濾池凈水技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)，2014.