活性炭對(duì)水中氨氮吸附性能的研究

崔笑穎 南國(guó)英 溫雪梅 李士波

【摘要】活性炭對(duì)水中氨氮的吸附性能受活性炭的基本結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)影響。未改性活性炭主要通過物理吸附對(duì)水中氨氮進(jìn)行去除，吸附性能相對(duì)較弱；改性活性炭對(duì)水中氨氮的吸附能力有所增強(qiáng)。活性炭改性途徑主要有兩種：一是對(duì)原材料進(jìn)行改性后制備活性炭，二是直接對(duì)成品活性炭進(jìn)行改性。

【關(guān)鍵詞】活性炭；改性；氨氮；吸附

引言

水體中的氮具有很大危害，它可以導(dǎo)致水體酸化、造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、損害水生動(dòng)物生長(zhǎng)和繁殖的能力，對(duì)人類健康也有一定程度的不良影響。污水處理中去除氨氮至關(guān)重要。而近年來，我國(guó)生活污水和化工、冶金等工業(yè)廢水中氨氮的含量上升，亟待經(jīng)濟(jì)高效的處理方法進(jìn)行解決。

對(duì)高濃度氨氮廢水進(jìn)行處理一般采用吹脫法、化學(xué)沉淀法、高級(jí)氧化法和新型生物脫氮法等；較低濃度氨氮廢水則采取傳統(tǒng)生物法、折點(diǎn)氯化法、膜分離法和吸附法等。而高濃度氨氮廢水需經(jīng)過初步處理轉(zhuǎn)換為較低濃度，再對(duì)低濃度氨氮廢水進(jìn)行后續(xù)處理。故低濃度氨氮廢水的處理成為關(guān)鍵。

活性炭吸附法在處理低濃度氨氮中應(yīng)用比較廣泛，且活性炭種類繁多，通過不同途徑改性的活性炭對(duì)水中氨氮的吸附性能有不同程度地提高，具有廣闊的發(fā)展前景，值得研究。

1、未改性活性炭吸附水中氨氮性能

與活性炭吸附性能有關(guān)的因素有二：一是活性炭的基本結(jié)構(gòu)。活性炭屬于微晶形炭，與石墨結(jié)構(gòu)相似，但完整性較差，因此產(chǎn)生孔隙；活性炭在活化時(shí)，無組織的炭素和炭成分被消耗，形成大量的孔隙[2]?？紫兜男螤詈头植记闆r及孔隙壁的總面積是活性炭吸附量的重要因素。二是活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)。活性炭的化學(xué)組成主要包括炭素、化學(xué)結(jié)合的元素和灰分。當(dāng)炭素的基本微晶結(jié)構(gòu)規(guī)則時(shí)，由范德華力起作用，表現(xiàn)為物理吸附。不規(guī)則時(shí)有兩種情況，如果因?yàn)殡s原子的存在，則形成官能團(tuán)，“修飾”炭表面而改變其吸附特性；如果因?yàn)槠湮⒕е写嬖诓煌耆氖珜?，則改變炭素骨架上的電子云，產(chǎn)生不飽和原子價(jià)，從而影響其對(duì)極性物質(zhì)的吸附?；瘜W(xué)結(jié)合的元素以氫、氧為主，羥基、羧基等官能團(tuán)的存在增強(qiáng)了其吸附性能，但未改性的活性炭官能團(tuán)種類和數(shù)量相對(duì)較少。

未改性活性炭對(duì)水中氨氮的吸附主要依靠物理吸附，吸附性能相對(duì)較弱。于群等于海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過燒杯試驗(yàn)以粉末活性炭和膨潤(rùn)土對(duì)人工配水模擬受污染河水進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：粉末活性炭對(duì)氨氮的最大吸附量為2.3mg/g，且在吸附20min后達(dá)到飽和，吸附容量小于膨潤(rùn)土的5.57 mg/g，吸附飽和時(shí)間也小于膨潤(rùn)土的3h。這是因?yàn)榕驖?rùn)土的主要成分為蒙脫石，除了具有很大的內(nèi)比表面積，還有較強(qiáng)的離子交換性。田琳等通過燒杯試驗(yàn)以顆?；钚蕴亢吞烊环惺瘜?duì)人工配水模擬氨氮廢水進(jìn)行吸附，發(fā)現(xiàn)顆粒型活性炭對(duì)氨氮的最大吸附量不足0.6mg/g，小于天然沸石的1.2 mg/g。因?yàn)榉惺粌H具有巨大的比表面積和強(qiáng)烈的靜電吸引力，還具有離子交換性。

2、改性活性炭吸附水中氨氮性能

活性炭改性方法有酸改性、堿改性、負(fù)載改性、等離子體改性、加熱改性、超低溫預(yù)處理+迅速升溫、納米銀離子負(fù)載處理等。目前針對(duì)吸附水中氨氮的活性炭改性常用的方法是酸改性和負(fù)載改性，酸改性主要是使活性炭表面產(chǎn)生大量新的微孔并將已有的微孔轉(zhuǎn)化為中孔，且增加活性炭表面酸性官能團(tuán)的種類和數(shù)量，由酸性官能團(tuán)與氨分子的化學(xué)作用促進(jìn)活性炭對(duì)氨氮的吸附能力。酸改性既可以應(yīng)用于制備活性炭的原材料，又可以應(yīng)用于成品活性炭；負(fù)載改性是在活性炭表面增加可與銨根離子或氨分子反應(yīng)的原子或化合物，從而改善活性炭對(duì)氨氮的吸附性能。負(fù)載改性一般應(yīng)用于成品活性炭。

2.1活性炭制備的原材料改性

制備活性炭需對(duì)原材料進(jìn)行炭化和活化，炭化通常是在氮?dú)夥諊屑訜嵘郎?，使原材料中可揮發(fā)的非碳組分被排出并形成亂層類的石墨結(jié)構(gòu)；活化即對(duì)原材料改性，通過使用活化劑在一定活化溫度下使炭化產(chǎn)物生成大量的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積及不同的官能團(tuán)。

劉雪梅等通過燒杯試驗(yàn)，以油茶殼為原料，采用不同濃度碳酸鉀溶液對(duì)其改性，用改性材料制備的活性炭對(duì)人工配制模擬氨氮廢水進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：活化溫度為750℃時(shí)用250g/L碳酸鉀溶液改性材料制備的活性炭對(duì)20mg/L氨氮溶液的最大吸附量可達(dá)10.06 mg/g。因?yàn)樘妓徕浥c活性炭發(fā)生反應(yīng)，從而對(duì)活性炭產(chǎn)生刻蝕作用，形成大量微孔，并且高溫活化使活性炭?jī)?nèi)部的大量官能團(tuán)暴露出來，其中包含能夠與銨根或氨分子發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)，進(jìn)而增強(qiáng)活性炭對(duì)水中氨氮的吸附性能。丁紹蘭[7]等用花生殼作為原材料，用1mol/L氫氧化鉀、磷酸和氯化鋅分別對(duì)其進(jìn)行改性后制備活性炭，通過燒杯試驗(yàn)對(duì)模擬制革廢水中氨氮進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：用磷酸改性的花生殼所制備的活性炭投加量為0.6g時(shí)對(duì)100mg/L氨氮溶液的去除率最大，達(dá)73%，通過計(jì)算得出吸附量為12.17mg/g。因?yàn)椴捎昧姿岣男缘幕ㄉ鷼に苽涞幕钚蕴坎粌H表面微孔數(shù)量大大增加，還形成新的酸性官能團(tuán)如羧基，羧基類基團(tuán)中所包含的酸酐與氨分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而增強(qiáng)了活性炭對(duì)水中氨氮的吸附能力。

2.2活性炭成品改性

制備活性炭對(duì)原材料進(jìn)行炭化和活化時(shí)，隨著炭化和活化程度的加深，活性炭的灰分也增加，影響其吸附性能。對(duì)成品活性炭進(jìn)行改性就是將活性炭研磨后置于燒杯中，直接加入一定量的改性劑，在一定溫度下通過振蕩、焙燒，去除活性炭的灰分，并促進(jìn)其微孔的形成或產(chǎn)生新的官能團(tuán)，從而增強(qiáng)其吸附能力。

王芳于濱州市材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用分別經(jīng)硝酸鐵、硝酸鋅和硝酸銅溶液改性的活性炭對(duì)氯化銨模擬溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：活性炭載銅改性效果最好，載銅7%改性后的活性炭對(duì)50mg/L 氨氮溶液的吸附量達(dá)8.6mg/g。因?yàn)榛钚蕴繉?duì)氨氮的吸附主要依靠物理吸附，而負(fù)載的銅達(dá)到一定量時(shí)，恰好不堵塞活性炭?jī)?nèi)部孔隙，并與氨分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在物理吸附的基礎(chǔ)上增加了化學(xué)吸附，因此活性炭對(duì)水中氨氮的吸附性能有所提高。

3、結(jié)語

未改性活性炭對(duì)水中氨氮的吸附主要依靠物理吸附，其吸附量較?。欢?jīng)過對(duì)原料改性制備活性炭或直接對(duì)成品活性炭進(jìn)行改性，均增強(qiáng)其對(duì)水中氨氮的吸附性能，原因是經(jīng)過改性，一方面因?yàn)樵黾恿嘶钚蕴康奈⒖缀椭锌讛?shù)量，使其比表面積增大，另一方面則是引入了新的官能團(tuán)，尤其是羧基、羥基等酸性官能團(tuán)，加強(qiáng)了化學(xué)吸附。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樂紅，周康根，陳泉洲.過飽和吹脫塔處理鈹冶煉高濃度氨氮廢水的工程實(shí)踐研究[J].湖南有色金屬，2016，32（03）：65-68.