活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

蘇曉濛，湯昊洋，呂偉，戴立紅，吳少青，端震(南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，江蘇 南京 210019)

0 引言

活性炭是很優(yōu)質(zhì)的吸附劑，幾乎沒有任何可見的危害，所以使用上不會有過多限制。除了吸附，它還有催化特性，所以在凈化方面的表現(xiàn)也是有不俗的效果。在進行改性后，它常被用在處理水中，即便是可溶的物質(zhì)，也可以被吸附，從而提升水的潔凈程度。同時還可以除臭，并將其中部分細(xì)小的生物過濾掉。鑒于其突出的功能，在水處理中的價值得到了普遍肯定[1]。

1 活性炭概述

1.1 內(nèi)涵

活性炭是最早被應(yīng)用的碳質(zhì)材料，根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會的定義：活性炭是炭在炭化前、炭化時、炭化后經(jīng)過與氣體或與化學(xué)作用以增加吸附性能的多孔炭。活性炭具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積，是一種工業(yè)廢水處理中廣泛使用的吸附材料。與生物質(zhì)、樹脂基活性炭相比，煤作為活性炭的前驅(qū)體具有原料來源廣、價格低廉、含碳量高、物理性質(zhì)好、易再生、抗磨損等特點，其豐富的表面官能團及孔結(jié)構(gòu)可調(diào)性對廢水處理具有獨特的優(yōu)勢。我國從低煤化度的褐煤到高煤化度的無煙煤均有分布，以不同類型的煤種作為前驅(qū)體可以制備出不同孔結(jié)構(gòu)的活性炭，通過改變活性炭的表面酸、堿性，在炭表面引入或去除某些官能團使活性炭具有某種特殊吸附性能。對活性炭孔徑調(diào)整的目的就是將活性炭的孔隙直徑與吸附質(zhì)分子尺寸調(diào)整到合適比例，以獲得最佳吸附效果，控制活化劑的種類及用量，可以靈活地控制活性炭的吸附特性[2]。

1.2 改性方法

1.2.1 表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性是利用相關(guān)的氧化劑對其進行一系列有效地處理，在經(jīng)過處理后，加強對雜質(zhì)的處理能力。這種做法能使表層在氧化下，官能團的數(shù)量增加，從而更加親水。基于這種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，能對一些自帶極性的雜質(zhì)產(chǎn)生更大牽引力，從而將其吸附在活性炭上。一般應(yīng)用范圍較廣的氧化劑包括高錳酸鉀、硝酸、氯酸鹽、雙氧水等，其中氧化作用最佳的是硝酸，它可以產(chǎn)生大量的酸性基團。因為別的氧化劑的作用相對較弱，一般不會直接用在改性中，而是用來改變表層的pH值。在將改性的流程全部完成后，通常可以在表面上觀察到很多有規(guī)則的幾何形狀的結(jié)構(gòu)，這可以作為判斷改性是否成功的依據(jù)。如果能做好對氧化劑的配比與使用，就能得到特性有所差異的活性炭，從而適配于不同的處理。一般情況下，氧化程度可以對酸性含氧官能團的總含量造成一定程度的影響。

1.2.2 表面還原改性

活性炭的表面還原改性是利用相關(guān)的還原劑對表層的官能團進行還原改性反應(yīng)。通過這種辦法，可以讓官能團呈一定比例的減少，進而使表面有更高的極性，形成更大的吸附力。因為極性的變大，能使對于帶有相反極性的雜質(zhì)產(chǎn)生力的作用變大。在進行這種類型的改性時，一般會用氨水這種最普及的試劑，基于對效果的考慮，也可以用氮氣。通過這些還原劑，也能夠達到改變性質(zhì)的目的，但完成后會使官能團的數(shù)量變化，這不僅不會遏制性能的發(fā)揮，還會對一些特定種類的雜質(zhì)更加有效。

1.2.3 負(fù)載金屬改性

活性炭的表層負(fù)載金屬改性是有效利用一系列的溶性鹽中所富含的大量金屬離子，通過負(fù)載的作用，施加到材料的表面。在這種狀態(tài)下，再加以高溫，使碳原子與之發(fā)生反應(yīng)，進而形成含碳的化合物。這就會導(dǎo)致碳的丟失，使活性炭上面的縫隙會變大，從原理上分析，它將能有更強的吸附性。此外，離子之間也是會在化學(xué)鍵的極性下，產(chǎn)生相互的力，所以也可以吸附，進而在一定范圍內(nèi)進行聚合，只不過相對有限。通過對硝酸鐵和硫酸鐵對活性炭進行一系列的負(fù)載改性，由改性原理可知，在高溫的支持下，鹽會發(fā)生分解，而這些離子會立刻進行聚合，形成各種化合物。而它們會作用于活性炭，在經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)后，其中的縫隙變得更大，總體的表面積也會隨之增大。在此期間，金屬鹽受高溫影響被活性炭還原，孔徑也有一定程度的增加。

1.3 水處理特征

首先，活性炭能被用于處理，因為它的吸附性是相當(dāng)優(yōu)秀的，而且對一些可以溶于水中的有機物是有效的。活性炭中間有大量且十分微小的縫隙，最小的能達到10 nm以下，所以表面積要比從外觀上看起來要大很多，能達到500～1 700 m2/g，這是吸附力的來源。這種特點讓它能對絕大多數(shù)污染物進行吸附，從而相對簡便地將它們從水中分離出來，這是功能的來源，也可以被用在水處理中的理論依據(jù)。這能讓水變得很潔凈，即便不再進行其他處理，也能被二次使用。同時，活性炭的普適性很強，能應(yīng)對各種狀況下的水體，即便是在高溫下，也能生效。而對于單一種類的污染，不論濃度有多高，或水量多大，都將有相同的效果，不會因此被縮減。現(xiàn)在大多數(shù)以活性炭為主體的處理設(shè)備，體積通常很小，便于運輸，使用沒有限制。

2 活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

本章節(jié)主要分兩部分對活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用進行了詳細(xì)闡述，主要內(nèi)容如下。

2.1 活性炭凈化技術(shù)在生活污水處理中的具體應(yīng)用

活性炭凈化技術(shù)是一種常見于污水處理中的技術(shù)，通過將活性炭這種吸附劑運用到污水的處理中，從而使雜質(zhì)被吸附在其表面來實現(xiàn)凈化污水的目的。活性炭就形態(tài)來說一般分為粉狀和粒狀兩種，前者在污水處理中有著較為悠久的歷史。活性炭的原材料一般集中在垃圾廢料、果殼和木材等，雖然果殼是一種最佳的活性炭原材料，但是由于存在各種因素的束縛，使得這種原材料的活性炭價格較高，不利于活性炭的普及和使用[3]。為了改變這種現(xiàn)狀，越來越多的國家開始研究以垃圾廢料來制作活性炭的方法，現(xiàn)階段我國在這方面已經(jīng)取得了一定的成就。

2.1.1 活性炭的運作原理

在實際的污水處理過程中，活性炭吸附雜質(zhì)是一項較為復(fù)雜的過程，涉及到化學(xué)雜合力、分子作用力和離子吸引力之間的相互影響和作用，所以在活性炭的制作過程中需要根據(jù)不同的污水處理需求來制作不同標(biāo)準(zhǔn)的活性炭。活性炭之所以能夠吸附水中的雜質(zhì)，主要還是因為它本身就具備多孔的特征，所以它在污水處理中能夠?qū)⒁环N或者以上的雜質(zhì)吸附在其表面，從而實現(xiàn)凈化污水的目標(biāo)。水中的微生物、有機物甚至臭味都可以成為活性炭的吸附對象，所以活性炭的應(yīng)用范圍較為廣泛。在活性炭吸附雜質(zhì)的過程中，通常會包含快速擴散和慢速擴散兩種形式，溶質(zhì)分子通過碳分子中大孔進行擴散則屬于快速擴散，可以吸附大量的雜質(zhì)。而溶質(zhì)分子在通過碳分子中的大孔擴散至連接大孔的細(xì)孔中時，細(xì)孔的口徑較小，阻力增大，所以擴散速度開始變慢，此時便為慢速擴散。由此兩種溶質(zhì)分子的擴散形式可以看出，活性炭的吸附能力不僅與碳分子的表面有著關(guān)聯(lián)，還與連接大孔的細(xì)孔的口徑存在緊密的聯(lián)系。大孔就好比汽車行駛中的高速公路，為溶質(zhì)分子提供路徑，所以大孔決定了溶質(zhì)分子的吸附力。當(dāng)然，水中的有機物呈現(xiàn)出各種大小分子的狀態(tài)，而細(xì)孔占碳分子表面的比重呈壓倒性優(yōu)勢，所以細(xì)孔決定著碳分子吸附量的高低。一般來說，溶質(zhì)分子的吸附主要受分子作用力的影響，而不同的活性炭的孔徑大小和結(jié)構(gòu)分布有著很大的不同，所以每種活性炭對于溶質(zhì)分子的吸附能力也有所不同。鑒于此，在生活污水的實際處理過程中，需要根據(jù)不同的污水處理需求來選擇不同類型的活性炭，從而提高凈化生活污水的能力。活性炭的運作原理圖如圖1所示。

2.1.2 生物活性炭技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

活性炭由于其存在獨特的多孔結(jié)構(gòu)，所以具備較高的吸附能力和催化能力，再加上它有著生產(chǎn)方便、耐高溫和耐酸堿的特點，在污水處理中不會造成二次污染，使得它成為當(dāng)前最受歡迎的一種污水吸附劑。污水處理中，活性炭不僅可以吸附水中的苯酚、有機物和油漬，還可以吸附一些難聞的氣味，對于水質(zhì)的凈化有著非常明顯的效果。就活性炭的吸附方式來說，目前常見的有流動床、移動床、固定床和接觸吸附，比如前面提到的粉狀形態(tài)的活性炭就只能通過接觸的方式來吸附污水中的雜質(zhì)。粉狀形態(tài)的活性炭在吸附的過程中，涉及到分子作用力和離子吸引力之間的相互影響和作用，過程也相對較為復(fù)雜。為了能夠?qū)⒒钚蕴績艋夹g(shù)水平提升至一個新的臺階，國內(nèi)外對于活性炭凈化技術(shù)的研究從未中斷過，一種新的活性炭凈化技術(shù)便出現(xiàn)在了大眾的視野范圍內(nèi)，即BAC技術(shù)。BAC的中文名是生物活性炭，通過在活性炭上固定微生物，實現(xiàn)活性炭吸附水中有機物，微生物分解有機物的雙重目標(biāo)。這一技術(shù)結(jié)合了微生物分解有機物的特點，在污水的處理過程中發(fā)揮了巨大的作用，所以已經(jīng)被廣泛運用至實際的生活污水處理工程當(dāng)中。BAC技術(shù)通過將活性炭吸附有機物、微生物分解有機物融合為一體，可以給固定在活性炭上面的微生物提供必要的營養(yǎng)供給，而微生物對于有機物的分解又為活性炭的再次利用提供了可能性。目前，這種新型技術(shù)已經(jīng)被我國運用至日常的生活污水處理當(dāng)中，已經(jīng)取得了非常顯著的成效。

2.1.3 活性炭聯(lián)用技術(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，生活污水導(dǎo)致的水體污染現(xiàn)象屢見不鮮，各種類型的水體污染層出不窮。如果只靠活性炭的單一吸附功能，已經(jīng)不能滿足于處理生活污水的需求，也不符合時代發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地應(yīng)對和處理各種復(fù)雜的水質(zhì)污染，活性炭聯(lián)用技術(shù)便應(yīng)運而生。在這些常見的活性炭聯(lián)用技術(shù)當(dāng)中，最為典型的是活性炭與膜的聯(lián)用、活性炭與二氧化鈦的聯(lián)用、活性炭與高錳酸鉀的聯(lián)用。

首先，在日常的生活中，雖然水污染已經(jīng)得到了一定程度解決，但是對于水質(zhì)污染的預(yù)防工作一直是頭等大事，尤其是生活中的飲用水，更是被稱作“生命之源”。為了居民能夠在日常生活中喝上健康的飲用水，需要通過活性炭與膜的聯(lián)用技術(shù)來實現(xiàn)對飲用水的深度凈化處理。按膜的孔徑的大小來進行劃分的話，膜包含超濾膜、納濾膜和反滲透膜三種類型，可以根據(jù)實際的需要來選擇不同的膜。這種膜與活性炭的聯(lián)用技術(shù)能夠有效避免只用其中一個凈化裝備的缺陷。其次，二氧化鈦是一種非常優(yōu)秀的光解催化劑，在水質(zhì)的防污方面有著非常好的效果。通過將其與活性炭進行聯(lián)用，不僅可以提高活性炭的吸附能力，也可以加速污水處理中光解反應(yīng)的進度。最后，高錳酸鉀是一種去除有機物的重要材料，所以將其與活性炭聯(lián)用，可以加快污水中有機物的凈化速度。

2.2 煤基活性炭在焦化水處理中應(yīng)用的研究進展

焦化廢水是焦化企業(yè)在煉焦、煤氣凈化、化工產(chǎn)品回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的具有高濃度、高污染、劇毒性的有機廢水。焦化廢水包含氨類化合物、苯酚類化合物、硫化物、氰化物以及難降解的萘、蒽、苯并芘、苯并蒽等多環(huán)芳香烴類物質(zhì)與含氮、硫、氧等雜環(huán)芳香烴類物質(zhì)，對于人體及環(huán)境危害極大。經(jīng)研究，焦化廢水經(jīng)兩級處理后(預(yù)處理+生化處理)廢水中有機污染物含量較高，需要進行深度處理，而活性炭對于廢水中的有機污染物具有較好的處理效果。未來煤基活性炭生產(chǎn)定然會朝著自動化規(guī)模化生產(chǎn)發(fā)展。并且我國目前還擁有大量小型煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)，大部分中小型煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)，主要生產(chǎn)的是活性炭中低檔產(chǎn)品，生產(chǎn)技術(shù)薄弱市場競爭力不足。這些企業(yè)想要不被市場經(jīng)濟的發(fā)展而淘汰，那么必須要不斷優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)，改變經(jīng)營理念，擴大生產(chǎn)規(guī)模。所以規(guī)模化生產(chǎn)也是我國未來煤基活性炭生產(chǎn)的主要發(fā)展方向。

3 結(jié)語

活性炭在吸附性上有很好的表現(xiàn)，還能被重復(fù)地使用，所以在價值的體現(xiàn)上十分優(yōu)秀。這種材料經(jīng)常被用在水處理中，并變成某個特定的環(huán)節(jié)，而且是不能被取代的。但不能忽略的是，在真正被使用前，還要對其特性做出評價，以此確保它能在處理中有預(yù)期的表現(xiàn)。而改性恰恰可以增強活性炭各方面特性，進而在使用中有更為突出的反饋，所以經(jīng)常將其與水處理相聯(lián)系。然而，我們在改性時，仍有一些不可取的做法，這要被逐步改正。