水處理中活性炭吸附技術應用研究

李 欣

（吉林工業職業技術學院制藥與環境技術學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

活性炭又稱活性炭黑，根據生產工藝與原材料的不同，其顏色也有所不同，但一般呈黑褐色?；钚蕴繛槎嗫捉Y構，并且材料比表面積較大、吸附性能極強、疏水性較強?；钚蕴堪凑招螒B分為粒狀活性炭、粉末狀活性炭和木質活性炭。活性炭不僅可以去除水體異味、有機物質和無機物質，還可以吸附酚類物質，甚至對重金屬污染水質也有一定的吸附作用，因此在城市生活污水處理、工業廢水處理、凈化水資源等水處理領域中得以廣泛應用。

2 活性炭特性

活性炭作為一種具有發達微孔構造、較大比表面積的暗黑色含炭物質，不僅化學性質較為穩定、耐酸堿性較強，還具有良好的吸附性能，因此最初被應用于制糖業，而后被廣泛應用于水處理領域。

活性炭對制造原料的要求并不高，幾乎可以用含碳的任何物質作為原材料，具體制造過程主要分為炭化和活化兩個階段：炭化也叫做熱解，是在隔絕空氣情況下加熱原材料，溫度一般控制在600℃以下；活化是在氧化劑的作用下加熱炭化后材料，進而形成活性炭產品[1]。

3 活性炭吸附原理與影響因素

3.1 活性炭吸附原理

（1）物理吸附

活性炭產生物理吸附的主要原因是當活性炭固體表面原子力場不飽和時，所產生表面能將通過吸附分子的方式而被降低，大量孔隙增加了活性炭的吸附面積，使其具有很強的吸附能力。

（2）化學吸附

活性炭產生化學吸附的主要原因是活性炭吸附劑和吸附質表面會進行電子交換或共用，因此一旦發生化學反應，兩者之間就會有化學鍵形成，進而產生化學吸附。

3.2 活性炭吸附影響因素

活性炭吸附似簡單，但具體吸附原理與過程較為復雜并受諸多因素影響。具體如下：

（1）活性炭性質

活性炭表面具有吸附質的附著點，而吸附劑比表面積將影響其吸附功能。一般活性炭比表面積越大，所具有的吸附性能越強。當然，比表面積大并不意味著吸附效果好，如空隙分布情況、表面性質等都會對活性炭吸附產生影響。

（2）吸附質性質

活性炭吸附會受到吸附質性質的影響。當應用同一種活性炭時，污染物不同則吸附量不同。例如：帶有表面負電的活性炭，會對正價離子具有很好的吸附效果，而對部分像砷酸根、鉻酸根等負離子基本沒有吸附效果。吸附質的溶解度、分子構造、分子大小以及化學結構等均能影響其吸附效果。當吸附質的濃度處于一定的范圍內，其吸附容量會隨著濃度的增高而逐漸增大，且在達到一定程度后，逐漸趨于穩定。

（3）溶液pH 值

表面活性炭吸附與溶液pH 值之間關系密切。當活性炭與吸附質處于不同pH 值時，所具有的性質不同，溶液pH 值會控制酸性或堿性化合物解離度，使pH 值處于一定范圍，部分化合物離解則會影響這些化合物的荷電情況，從而影響其吸附效果。除此之外，溶的pH 值也會影響吸附劑表面性質，如可能會造成活性炭表面質子化，從而對影響其吸附效果。

（4）溫度

溫度對活性炭吸附效果的影響沒有pH 值的影響大，溫度較低會有利于物理吸附，高溫則有利于化學吸附[2]。

4 水處理中活性炭吸附技術應用

水處理領域較常用的活性炭分為粉末狀和顆粒狀兩種。粉末狀活性炭由于比表面積更大，其吸附效果更好。在實際應用過程中，將粉末狀活性炭與水溶液混合，攪拌至懸浮狀態，可以使其發揮更好的吸附作用，但這樣的吸附方式較難回收，容易二次污染水體。顆粒狀活性炭主要是指吸附柱、固定床等填料，不僅回收再生容易，還具有較強的可操作性，但其吸附能力有限，吸附效率也較低。近幾年，逐漸出現了其他特殊形態的活性炭產品，如炭纖維布、炭氈等，這些產品因成本較高而在水處理中的應用并不多。

水處理中活性炭吸附技術應用具體表現為以下幾方面。

4.1 吸附重金屬離子

在重金屬離子吸附過程中，不僅是活性炭的孔道、比表面積和空腔容量大小等因素會影響吸附效果，活性炭表面穩定性與可調節性也會產生影響，如活性炭表面的氧、氮可以與重金屬發生化學反應。

由于工業廢水中往往含有大量重金屬離子，給人們的生產生活帶來重大安全隱患，因此人們充分利用了活性炭結構密度的特點，對活性炭鏈接式的密度結構進行了優化，使其對重金屬離子的吸附與分解更加迅速?；钚蕴康奈⒖捉Y構有助于吸附重金屬中陰離子，從而對使重金屬中含有的元素進行改性，使其表面吸附的陰離子與金屬離子相互作用。特別是六價鉻離子，通過在電鍍廢水中進行化學吸附，可以去除水中微量鉻，使其符合相關排放標準。

4.2 吸附水中有機物

處理水中有機污染物時，活性炭的吸附效果較好。例如：對酚類化合物、石油與石油產品、除草劑、農藥、合成洗滌劑以及人工合成有機化合物等有機污染物產生很強的去除功效，而這些有機污染物往往使用生物法和化學法都難以處理。不僅吸附效果好，還不會產生副產物，這些優勢都是活性炭得以廣泛應用的原因之一。此外，活性炭吸附技術還可以去除微污染有機物，這更是其他方法不可比擬的優勢。因此，活性炭一般將過濾作為最后處理步驟。

大量實踐研究表明，盡管飲用水中含有較少鹵乙酸（HAAs），但致癌風險卻比三鹵甲烷（THMs）更高。因此在去除水中消毒副產物前質時，一般會采用臭氧化生物活性炭進行深度處理工藝，通過控制消毒副產物的生成來確保飲用水的安全性[3]。

4.3 凈化污染水源

普通的凈水工藝很難將水中雜質、污染元素以及有機物清除干凈，而活性炭分子對于水中多元化元素有著很強的吸附效果，因此利用粉末狀活性炭可以吸附清潔水中雜質與異味。這種方法最早出現在西方國家，并且粉末狀活性炭只適用于去除氨水的異味，而對于季節性、高壓污染的水源凈化卻并不適用。另外，在利用粉末狀活性炭處理污染水源過程中，要適當加入懸浮液，并根據水質嚴格把控懸浮液用量，因此要在靠近原水泵或澄清池前加藥。然而，這樣的方式重復性不高且抗干擾能力不強，已經逐漸被顆粒炭所取代。

在水處理中，顆粒狀活性炭主要通過吸附柱或吸附塔的方式進行。即使吸附飽和，也可以再生，即恢復其吸附能力。

4.4 處理城市污水

采用二級污水處理技術很難清除干凈水中的微生物雜質，因而導致出水質量難以符合相關要求。我國部分地區水資源匱乏，污水回用就變得非常重要，因此對排放水質提出了更高標準的要求，這就使得充分利用活性炭吸附技術去除污水中殘留的溶解性有機物等雜質變得非常關鍵，這也是城市污水與工業廢水深度處理的重要方式之一。

二沉池二級處理水一般需要經過砂濾、活性炭吸附以及消毒等工藝，而活性炭吸附二級處理水則通過單塔靜態運行、多塔串聯運行，使水的質量符合回用要求[4]。

4.5 處理含油污水

隨著現代化工業的不斷發展，石油已成為了較為常見的污染源，對生態環境的破壞也越來越嚴重。市場上很多物品的含油量越來越高，并且廣泛分布在各行業領域。近些年，含油污水的處理方式層出不窮。在諸多處理方式中，活性炭吸附技術具有較好的吸油、溶解作用，但由于其處理成本較高，并且吸附油量有限，因此只能作為含油污水處理的最后一級凈水工藝，用于深層吸附、凈化污水中殘留有機物，使讓水中含油量得到有效溶解。

5 結語

活性炭吸附技術因其價格便宜、不需投入太多設備成本、處理速度十分快速，而在水處理中的應用由來已久，尤其適用于工業廢水與城市污水的深度處理，在煉油等行業的廢水回收處理中也十分常見[5]。目前，我國活性炭吸附技術在水處理中的應用尚處于發展階段，活性炭吸附技術的價值仍未充分發揮出來，因此為了保護我國生態環境，需要相關工作人員持續探索活性炭吸附技術的應用方式與適用范圍。