水處理中活性炭纖維的應用分析

陳 勁

(湖南龍舞環保科技有限公司 湖南 常德 415000)

水污染中存在大量有機污染物且難以降解，還存在很多金屬離子等等，通過以往使用的水處理工藝已經很難去除有機污染物和金屬離子等，所以污水處理回收、水資源再生等，受到的限制非常嚴峻。其中，利用活性炭纖維，使得水處理問題得到了突破和創新，獲取了全新的解決途徑。ACF屬于碳纖維工業日益發展當中產生的一種全新碳材料，基于高性能碳纖維研究的前提下，將其研制成功，屬于第3代活性炭產品。

一、ACF基本結構以及特征

ACF(Activated Carbon Fiber.ACF)的構成主要包括PAN、纖維素基、酚醛樹脂和瀝青基等，相應的有機纖維原料在炭化和活化之后便可獲取。ACF的SEM圖像如圖一所示。此外，ACF的孔徑分布以及GAC的孔徑分布圖比較，可以分析得出：與以往的活性炭相比較ACF、PAC以及GAC，無任何粗孔以及過度孔，只有微孔存在，并且分布著均勻的孔徑，一般都為1nm，體積占據總體積的大概90%。此外，ACF當中的微孔結構具備的可修飾性非常大，可利用活化工藝以及表面改性處理對表面結構加以控制，并對孔徑分布實施調節，這樣能夠對各種類型的被吸附物質，有針對性的對微孔孔徑加以設計，使其有相應的吸附能力，同時ACF具備的表面官能團也非常理想[1]。

圖一 ACF的SEM圖像

ACF屬于微孔碳非常典型的一種，其化學以及物理的獨特結構，使其有更強的突出優勢特征[2]。其一，比表面積范圍大；其二，孔徑的分布情況非常窄，所以吸附微孔口比較多，產生的效果更強，并且可以在纖維表面直接暴露；其三，只有很短的吸附行程；其四，成型非常容易，不容易發生粉化，在振動的情況下，也不會有松動以及過分密實情況發生；其五，再生比較容易，有很長的應用壽命。所以ACF具備的吸附能力與以往使用的活性炭相比，產生的應用性能以及價值更為突出。根據相關研究顯示，ACF吸附容量與傳統活性炭相比較，大概會超出1～10倍，吸附以及脫附速率，是以往活性炭的100倍左右。特別需要關注的是ACF針對低濃度吸附質，特別是痕量級吸附質產生的吸附量依然很高。此外，ACF還能對貴重金屬離子產生氧化還原能力，所以對于富集回收得以實現[3]。

二、活性炭纖維在水處理當中的應用分析

(一)廢水處理

ACF在凈化水處理當中，產生的吸附容量非常大，并且有著較快的吸附速度。此外，脫附也有非常快的速度，并且灰分比較少，可以對大量的廢水進行處理，使用壽命比較長。在環保工程當中，經常會利用ACF，因為安全并且操作便捷，體積密度小，吸脫層薄等等，并不會出現蓄熱情況以及過熱問題，所以發生事故的概率非常低，有著經濟性和節能性的優勢，在大型上水、凈水處理當中有著廣泛的應用。同時，不但有著非常高效率的凈化能力，在投資方面，也不需要較高的支出，但收益效果非常高。

不同有機質的廢水處理都可以利用ACF，例如：處理四苯廢水、含氯廢水、制藥廠排出廢水、有機燃料排出廢水、造紙造成的黑液等等，與粉狀活性炭具備的吸附能力相比，ACF有著更高的吸附能力，在高平衡濃度當中使用更為理想。ACF每克產生的吸附量大概是粉性活性炭具備的吸附能力三倍以上，并且溫度升高之后，相應的吸附能力也會有所提升。

例如：劍麻基ACF，可以對不同的有機染料進行去除，例如：鉻藍黑R、結晶紫等等，可高達100%的去除率。瀝青基ACF對于酸性染料產生的吸附效果非常強，例如：酸性橙10也可以對直接藍19等燃料進行去除。針對ACF電極法對造紙黑液進行電解的探究當中，實驗條件為PH=7，電解=80min，去除COD的效率為65.34%，去除色度的效率為95%。使用的裝置，如圖二、圖三所示。酸析以及聚酯絮凝對黑液進行預處理之后，便可以開展ACF電極電解，可對COD以及色度的去除有相應的提升。通過酸化結合電解的方法，產生的去除率高達95.1%以及99.54%，幾乎等于清澈透明的水質。

圖二 電生物脫氮反應器

圖三 富集及固定反硝化菌反應器

(二)回收廢水中的有用物質分析

ACF當中具備的微孔結構以及表面特殊官能團會產生吸附選擇性，可以對廢水當中存在的有機化工原料等進行吸附，利用脫附回收工作，可以保證環境和經濟效益的雙重提升。例如，針對曬黑T染料產生的工業廢水進行處理，利用ACF產生的去除效率高達95.7%，出水CODcr小于150mg/L，與規定的排放一級標準相符。ACF如果達到飽和吸附狀態，使用堿脫附劑進行處理之后，便可以再次使用。脫附液經過酸處理時，可以對有用物質加以回收，使其產生相應的經濟效果。借助ACF對十三嗎啉農藥廢水進行處理，CODcr由之前的2500mg/L下降至140mg/L，產生的去除效率高達95%。ACF在達到吸附飽和狀態之后，采用酸性無機脫硫劑對其進行處理，脫附液使用氫氧化鈉溶液對其進行中和，完成處理之后，便可以對部分有機物進行回收。此外，ACF可以達到2.5a的使用壽命，甚至更長。

(三)廢水深度處理

利用生物以及物理化學對工業廢水進行相應的處理之后，并不符合提出的廢水排放標準，需要再次使用ACF實施深度加工處理。例如：針對某車間排出的廢水進行處理，其過程為先混凝再澄清，最后過濾。完成這一系列的處理工作之后，發現仍然存在6000mg/L左右的CODcr，此時利用ACF對其進行吸附深度處理加工，最終的CODcr已經小于900mg/L，與廢水排放標準相符。

除針油、鐵離子、硫化物等物質進行去除以外，對于總磷酸鹽、堿化度等也有相應的去除效果。ACF在失去效果作用之后，只需要利用過熱水蒸氣，便可以實現再生，并且再生之后的吸附容量不會有較大的改變[4]。

(四)水質凈化

ACF產生的水質凈化效果十分突出，例如可以使渾濁的水質變得澄清，將水中存在的異味去除，并且可以凈化存在的高錳、高鐵等一系列無機物。針對一些有機化合物的去除，例如氫、氯、氟等，可達到90%以上的去除效率。因為當前的地表水以及地下水污染較為嚴重，水中存在的污染物嚴重超標，含有大量的有機物等，當前使用消毒殺菌是常用方法之一，一般都會借助液氯加以處理，但殘氯會與水中存在的有機物產生相應的反應，進而出現消毒過后的副產物，例如致癌物質以及致畸物質等等。但借助ACF，因為微孔結構十分豐富，并且比表面積非常大，能夠對水中存在的有害物質產生積極的吸附效果。目前可通過改性ACF處理好地表水源，去除THM潛在物的效率高達80%以上，去除TOC的效率也已經超過了50%，在ACF吸附能力出現飽和之后，可以通過堿性物質使其再生。

因為生活水平的不斷提升，對日常飲用水提出的標準也更加嚴格，現在在凈水器當中對于ACF的使用已經非常普及，尤其是使用ACF，對于水中存在的微生物殺滅效果非常突出，可以將ACF表面繁殖的微生物進行有效抑制，并且有滅菌以及吸附的雙重效果可達到98%以上，去除大腸桿菌效率為98%。相關研究中，也發現在ACF產生的殺滅細菌能力非常強，例如大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌，在得到相應的處理之后，可完全消除水中存在的大腸桿菌等，與其他原料基的ACF效果相比，使用載銀磷酸活化ACF產生的效果會更突出一些，例如作用時間不長，有非常高的抗菌效率和抗菌效果的用量也比較少。

三、結語

總之，ACF的應用，有時需要與其他一些技術進行結合，產生的效果會更加突出和理想，例如ACF結合臭氧氧化、生化處理技術等，可通過臭氧產生的氧化能力降解大分子污染物，這樣ACF便可以吸附分解之后的小分子有機物，最后通過ACF當中的微生物，將污染物完全降解。當前，ACF在我國的應用，因為有一定的成本問題，所以還有些限制，但通過不斷的改進探究，會有所發展和成熟，將生產成本降低，有益于大面積廣泛應用。