吸附法處理有機廢水新應用

王藝潔

（蘭州交通大學博文學院，甘肅蘭州 730101）

隨著我國工業水平和科技水平的不斷發展，環境污染問題成為不容忽視的發展性問題。工業領域的進步繞不開資源的消耗和廢棄物的排放，國內外工業生產都還做不到真正的零排放，產生廢水、廢氣、固體廢棄物十分普遍，能夠做到減量化已經殊為不易。隨著我國治理三廢的工作不斷推進，工業企業治理廢水、廢氣、固體廢棄物的成本越來越高，優化工藝、設備已經成為行業內的重要課題。吸附法是有機廢水處理領域中的傳統工藝，利用的是吸附材料本身的吸附性，多借助活性炭、大孔樹脂、活性白土、硅藻土等材料。由于吸附材料的可再生性較差，因此，吸附法的使用費用也比較高，通常被用于難降解有機廢水處理。

1 吸附法概述

吸附法是利用多孔、吸附性材料來對水體中的物質進行表面吸附的技術，是一種能夠分離、富集水體中污染物的重要技術。吸附法與吹脫、加熱等工藝配合還能實現對部分水體污染物的回收再利用。在水處理領域中，吸附法通常不承擔主要的廢水處理任務，多作為膜分離等工藝的預處理環節或其后的深度處理環節，以脫色、除臭、回收重金屬、吸附溶解性有機物、吸附余氯等目的為主。吸附法根據原理劃分為物理吸附、化學吸附、交換吸附三種。

1.1 物理吸附

物理吸附借助的是水體中溶質（污染物）與吸附材料之間的范德華力，這樣的吸附作用使得溶質不固定在吸附材料表面，因此，吸附的穩定效果不如化學吸附。且受到范德華力的限制，物理吸附需要在低溫環境下進行，對吸附材料的比表面積、孔隙率有較高的要求。

1.2 化學吸附

化學吸附借助的并非范德華力，而是溶質與吸附材料之間發生化學反應而產生的化學鍵力，這樣的吸附作用使得溶質被固定在吸附材料表面。化學吸附因為是化學反應的產物，因此，吸附材料通常具有選擇性吸附的特點，只能針對某種或某幾種溶質進行吸附。化學吸附的效率與溶質、吸附材料的化學性質有較為密切的關系。

1.3 交換吸附

交換吸附與物理吸附、化學吸附都不同，它的實現借助的是溶質和吸附材料的表面帶電離子，借助的是離子之間的靜電吸引效果。交換吸附的吸附穩定程度較物理吸附弱，更容易受到外界因素變化的干擾。交換吸附其實是離子交換的產物，吸附效率與吸附材料的離子數、水合半徑有較大關系。

2 吸附法在有機廢水處理領域中的應用

2.1 大孔樹脂在有機廢水處理中的應用

大孔樹脂的吸附工作是范德華力、溶劑化、靜電、氫鍵等吸附作用的綜合結果。大孔樹脂是一種集物理吸附、化學吸附、交換吸附為一體的吸附材料。大孔樹脂的種類很多，可以吸附的有機廢水污染物種類也很多。在有機廢水處理過程中可以根據污染物成分來選擇不同種類的樹脂，提高樹脂的吸附效果。對于極性的污染物，技術人員可以適當調節樹脂極性，使樹脂與污染物之間形成氫鍵，配合脫附等工藝可有效延長樹脂的使用壽命。

大孔樹脂的吸附作用目前已經在單苯環結構酚類廢水、苯酚廢水、煉焦廢水、多個苯環化合物廢水、磺酸類廢水、含氮有機廢水、有機農藥廢水、萘系染料廢水、對硝基苯乙酮廢水、苯甲醇廢水、苯肼類廢水、對氨基吡啶廢水等有機廢水的處理中進行了應用。經過實驗可知，大孔樹脂對有機污染物的去除率通常在90%以上，對COD值的去除率也基本保持在80%以上。大孔樹脂能夠通過脫附來回收有機廢水中有價值物質的特點，也使得大孔樹脂吸附法具備經濟和環境的雙重效益，是我國工業生產三廢處理中重要的工藝。

2.2 活性炭的靜態吸附在有機廢水處理中的應用

靜態吸附是一種借助時間力量來使吸附材料與有機廢水達到吸附平衡的工藝，通常需要吸附材料與有機廢水密切接觸數個乃至數十個小時，是一種需要廢水長時間停留的有機廢水處理工藝。靜態吸附法對吸附材料的比表面積、孔容、孔徑等參數有較高的依賴程度，根據實驗室可知比表面積大、孔容大、孔徑小的吸附材料能夠更快速地吸附有機廢水中的污染物，能夠吸附更多的有機污染物，更快地實現對有機廢水的處理。以活性炭為例，活性炭參與靜態吸附時通常需要有機廢水停留30余個小時才能夠達到吸附飽和，才能夠使得有機廢水的COD值不再明顯下降，對有機廢水中污染物的吸附率較難超過55%。研究人員通過使用活性炭粉末、顆粒等形式的吸附材料進行實驗，發現粉末狀或顆粒狀的活性炭都能夠更快達到吸附飽和，對有機污染物的吸附率也更高，但后續的脫附難度更大，不利于活性炭的回收再利用。

2.3 活性炭的動態吸附在有機廢水處理中的應用

動態吸附與靜態吸附的區別很大，是一種使有機廢水通過填充了吸附材料的吸附柱來實現污染物吸附的處理工藝。與靜態吸附作用相比，動態吸附工藝對有機廢水中污染物的接觸效率更高，對有機污染物的脫除效果更佳，對有機廢水的COD值控制有較好的效果。但由于受到吸附熱、動態平衡等方面的因素影響，活性炭的動態吸附總量較靜態吸附總量要小很多。因為有機廢水在流經動態吸附柱時會與柱體摩擦，導致有機廢水或吸附柱附近升溫，導致活性炭動態吸附法對于有機廢水的處理效果弱，需要人為控制溫度平衡。動態吸附能夠將活性炭的吸附作用時長縮短至400min以內，對有機污染物的脫除率可以達到90%以上，對有機廢水COD值程度均為低于60mg/L。若研究人員將活性炭縮小至顆粒狀活性炭或粉末狀活性炭，動態吸附的活性炭對于有機污染物和COD值的去除效率還會進一步增加。

2.4 石墨烯在有機廢水處理中的應用

石墨烯是一種新型吸附材料，具有比表面積大、化學性質穩定、孔結構分布合理等優勢，在有機廢水處理領域中有較為廣闊的應用前景和空間。石墨烯吸附材料中并不僅僅包含石墨烯，石墨烯在其中占據的比例不過55%，其余比例為無機結構增強劑。這種石墨烯吸附材料本身具有較為優秀的比表面積和吸附能力，比較適合應用于有機廢水處理中的有機污染物。石墨烯與活性炭相比，比表面積、孔容都比活性炭大，同樣的靜態吸附或動態吸附過程中，石墨烯吸附材料對有機污染物的吸附效果比活性炭更加優秀，因此，石墨烯有望取代活性炭在吸附領域中的應用。根據實驗室研究可知，石墨烯在靜態吸附過程中歷經3h即可接近吸附飽和狀態，對有機物的脫除率高達96%；在動態吸附過程中，30min左右石墨烯對有機污染物的吸附率就已經能夠達到90%以上，這個速度遠超活性炭材料。

2.5 超重力吸附法在有機廢水處理中的應用

超重力吸附法是一種借助離心力場模擬超過地球重力加速度環境的吸附法，這種吸附法的作用關鍵在于借助超過地球重力加速度環境迅速更新相表面，加大吸附材料的吸附作用效果。超重力技術在吸收、精餾、分離等領域中已經基本成熟，其在廢水吸附處理領域中還屬于新興事物，還處于被研究的階段。想要營造超重力環境，技術人員需要在吸附環節中設置旋轉填料床，借助旋轉填料床的高速旋轉來實現超重力環境的營造，使液體在高速離心力的作用下形成比表面積更大的狀態，大幅度提升有機廢水與吸附材料的接觸面積，增大吸附脫除效果。根據實驗室分析可知，超重力吸附法使用過程中，超重力因子、液體流率、有機廢水初始濃度對吸附效果都有一定的影響，需要進一步研究和穩定，才能夠保證超重力吸附法在有機廢水處理中的應用效果。以超重力因子為例，在超重力環境營造初期，有機廢水中污染物的去除率隨著時間的流逝大幅度增加，這是因為超重力環境下有機污染物能夠更快地達到吸附材料表面，被吸附材料所捕獲；隨著超重力環境的持續，有機污染物顆粒之間的持液量大幅度下降，因為大部分的溶液都被用于潤濕吸附材料，從而導致吸附效果下降，最終達到吸附飽和狀態。而不同有機污染物的顆粒之間持液量有所差異，因此，在針對不同成分的有機廢水吸附處理時，技術人員需要根據需求來調整超重力因子，調整持續吸附的維持時間。

3 結語

吸附法是廢水處理領域中常見的物化處理工藝，承擔的水處理任務從簡單脫色、除臭、回收重金屬，逐步上升到二次處理環節的預處理環節或深度處理環節。吸附法的重要性變化與吸附材料的推陳出新、吸附技術的不斷創新有著很大的關系。相較于活性炭而言，石墨烯是吸附效果更佳的吸附材料，靜態吸附和動態吸附狀態下的吸附量都超過活性炭。對于傳統的靜態吸附、動態吸附而言，超重力吸附是一種新興事物，雖然還不能穩定地應用于水處理領域中，但它具備超出靜態、動態吸附工藝的理論基礎，是吸附法領域中重要的發展趨勢。適用于吸附處理環節的材料和技術還需要科研人員投入更多的時間和精力去研究，吸附法還有很大的進步空間。