活性炭在污水凈化中的應(yīng)用

　　1、活性炭

　　1.1 活性炭概述

　　活要經(jīng)過(guò)系列工藝精加工而成，所以價(jià)格高，但可以回收二次使用;活性炭纖維在纖維中填充微孔，其吸附能性炭是由有機(jī)原料通過(guò)厭氧焦化和活性碰撞形成的不規(guī)則炭?；钚蕴康奈胶徒舛竟δ艿靡嬗谒砻娣植嫉脑S多細(xì)小孔隙和大的表面積。通常，根據(jù)外觀形態(tài)，可以分為粉末活性炭(PAC)、粒狀活性炭(GAC)、活性炭纖維(ACF)這3種。由于比表面積大，粉末活性炭有高吸附能力，同時(shí)制備原料來(lái)源廣，產(chǎn)品價(jià)格低，但回收利用非常困難;與粉末狀活性炭相比，粒狀活性炭力和吸附速率是顆?；钚蕴康臄?shù)十至數(shù)百倍，活性炭纖維可用于各種有機(jī)廢水的處理，去除水中的氯、苯、酚等有機(jī)物，還可以處理染料廢水使其脫色。除此之外，活性炭纖維還可以除去廢水中的金屬離子，如銀、汞等，但是，其使用僅僅是20多年，工業(yè)上的應(yīng)用尚未成熟。

　　活性炭具有較強(qiáng)的吸附能力、杰出的化學(xué)不變性、高力學(xué)強(qiáng)度、可再生等特性，普遍應(yīng)用于化工、環(huán)境治理、衛(wèi)生、飲食等鄰域。在當(dāng)今水污染嚴(yán)重的情況下，活性炭可以有效去除水中大部分有機(jī)污染物，重金屬，氣味和顏色，具有重要的科學(xué)意義，在污水凈化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用可能性。

　　1.2 活性炭水處理原理

　　活性炭通過(guò)表面對(duì)水中雜質(zhì)的吸附來(lái)達(dá)到改善水質(zhì)的目的。根據(jù)吸附物質(zhì)與被吸附物質(zhì)之間作用力的不同可分為物理和化學(xué)吸附[3]。活性炭吸附能力的大小主要取決于孔徑的大小?？讖降拇笮∫话惴譃榇笾行∪?，活性炭材料中多為小孔(孔隙直徑50nm為大孔)。首先，活性炭的物理吸附主要是由其自身龐大的微孔結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的，吸附的是能通過(guò)這些孔隙結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)。其次，活性炭的化學(xué)吸附是與被吸附物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成吸附共價(jià)鍵?；瘜W(xué)吸附主要受吸附物質(zhì)表面雜原子、化合物、化學(xué)官能團(tuán)的數(shù)目和類型3個(gè)方面的影響。同時(shí)，這些含氧、含氮官能團(tuán)本身也具備非常強(qiáng)的吸附性。在這兩種吸附作用的共同參與下，活性炭可以充分吸附廢水、污水當(dāng)中的雜質(zhì)、污染物，實(shí)現(xiàn)較好的水處理效果。

　　1.3 活性炭在污水凈化中的應(yīng)用

　　活性炭對(duì)水處理的要求很高，活性炭的價(jià)格也很高。因此，在廢水處理廠，活性炭通過(guò)去除廢水中的微量污染物達(dá)到深度凈化的目的。

　　1.3.1 活性炭處理含鉻廢水

　　鉻是電鍍中被廣泛用作電鍍層的金屬原料。在廢水中，根據(jù)pH值的變化，C(rⅥ)會(huì)以不同的形式存在?；钚蕴烤哂懈叨乳_發(fā)的多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，物理吸附能力強(qiáng)，可有效吸收Cr。此外，活性炭的表層還有許多靜電離子基團(tuán)，例如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等，它們也會(huì)對(duì)Cr產(chǎn)生化學(xué)吸附效應(yīng)。因此，活性炭物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)還原一起作用才可使廢水中鉻的去除效果達(dá)到最佳。馬萬(wàn)征等采用靜態(tài)試驗(yàn)的方法，考察了活性炭加量、酸堿度、溫度等因素對(duì)廢水中Cr去除率的影響。研究表明，當(dāng)處理劑中吸附質(zhì)0.6g?L-1、pH為4、溫度為20℃時(shí)，鉻的去除率為97%。用活性炭處理廢水中的鉻，吸附性好，處理成本低效率高，有很好的社會(huì)效益。

　　1.3.2 活性炭處理含氰廢水

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，廢水中的氰化物分為兩類，一類為無(wú)機(jī)氰(氫氰酸及其鹽類)，一類為有機(jī)氰或腈(丙烯腈等)。煤焦化、纖維生產(chǎn)、金屬電鍍和著色、礦石浮選、燃料、藥品及塑料加工等生產(chǎn)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生含氰廢水。長(zhǎng)期以來(lái)，含氰廢水多用活性炭來(lái)去除。汪玲[9]等利用硫酸銅浸滯活性炭使其負(fù)載Cu2+，并考察了該活性炭對(duì)含氰廢水的處理效果。結(jié)果表明，載銅活性炭加量為12g?L-1、廢水pH值為8、吸附時(shí)間為7h時(shí)，可去除廢水中90%以上的氰。任大軍通過(guò)靜態(tài)吸附研究了活性炭纖維對(duì)含氰廢水的吸附效果。結(jié)果表明，活性炭纖維由于其具有憎水性，故對(duì)氰的吸附量不大，吸附時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)6h;但用10%的NaOH處理吸附飽和后的活性炭纖維可使其再生，可重復(fù)使用。隨著研究的深入，盡管活性炭對(duì)含氰廢水的處理效果越來(lái)越好，但廢水中仍有少量殘余的氰根和氰化氫，處理不徹底且成本也相對(duì)較高。

　　1.3.3 活性炭處理含酚廢水

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，石油化工廠、樹脂廠、焦化廠及煉油化工廠皆會(huì)產(chǎn)生含酚廢水。實(shí)驗(yàn)研究表明，溫度和酸堿度是影響活性炭對(duì)苯酚吸附效果的主要因素?；钚蕴繉?duì)苯酚的吸附平衡時(shí)間會(huì)隨著溫度的升高而縮短，但溫度太高會(huì)使吸附量受損;pH值對(duì)廢水中酚的吸附效果有著明顯的影響，當(dāng)pH值小于或等于7時(shí)，廢水中酚的含量變化不大;當(dāng)pH值大于7后，酚的含量明顯下降，堿性過(guò)強(qiáng)，吸附效果也會(huì)變差。原材料種類和活化方法基本決定了活性炭的比表面積和對(duì)苯酚的吸附性能。MA等研究了活性炭原材料的種類對(duì)廢水中苯酚吸附效果的影響。結(jié)果表明，竹質(zhì)活性炭對(duì)苯酚的吸附效果好于椰殼活性炭好于煤基活性炭。

　　1.3.4 活性炭處理含油廢水

　　據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2017年，世界水資源受到了500~1000t石油污染，水產(chǎn)資源遭到嚴(yán)重迫害，人類健康受到極大危害。因此，很有必要處理含油廢水，保護(hù)水資源。作為一種非極性吸附劑，活性炭是最常用于凈化含油廢水的材料。與其它吸附劑相比，活性炭具有極大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，因而有好的吸油性，可去除廢水中的分散油、乳化油、溶解油及其它有機(jī)物。李裕華利用粉末活性炭對(duì)含油污水進(jìn)行萃取和吸附處理，結(jié)果表明活性炭對(duì)烴類污染物的萃取率平均可達(dá)96.0%，在酸性條件下，活性炭對(duì)芳烴具有良好的吸附效果。陳曉玲通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了活性炭處理含油廢水的最佳條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廢水中油的去除效果與活性炭的粒徑、添加量及酸堿度有密切的關(guān)系?；钚蕴繉?duì)油的吸附量隨著加量的增加而增多;當(dāng)活性炭加量一定時(shí)，粒徑越小，其對(duì)于油類及COD的去除率越高;此外，加量與粒徑相同時(shí)，中性條件下油的去除率最低，酸性條件的去除率高于堿性條件去除率。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，處理效果好，同時(shí)，可以達(dá)到回收有機(jī)物，獲得一定經(jīng)濟(jì)效益的目的;缺點(diǎn)是活性炭一般用作含油廢水的微量或低濃度處理，原因是其價(jià)格昂貴，再生困難，使用量受到限制。隨著研究者不斷的研發(fā)，新型吸附材料如焦炭、膨脹石墨等也可用于去除廢水中的油，并取得了較好的吸附效果，可作為活性炭的替代品。

　　2、改性活性炭

　　2.1 改性活性炭改性機(jī)理及研究現(xiàn)狀

　　在活性炭應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大以及多功能吸附的形勢(shì)背景下，活性炭吸附材料的需求量及性能的要求也越來(lái)越高。目前，常規(guī)活性炭已不能滿足某些特殊環(huán)境的應(yīng)用需求。因此，急需改善活性炭的性能以滿足各種環(huán)境的應(yīng)用。眾所周知，材料與外界發(fā)生作用主要依靠其表面物理化學(xué)性質(zhì)而起作用(包括電荷、化學(xué)成分、親疏水性、形態(tài)等)。因此，要想提高活性炭的吸附性能，改變活性炭材料表面物理化學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵，這將對(duì)該行業(yè)產(chǎn)生重要的學(xué)術(shù)意義和巨大的應(yīng)用前景。

　　為改善活性炭?jī)?nèi)在的微孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，可以從物理、化學(xué)和物理化學(xué)聯(lián)合3個(gè)方面入手。由于聚合物結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)越性以及改性方法的多樣性，用聚合物在活性炭表面進(jìn)行改性已成為改性活性炭研究的一大熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已對(duì)活性炭改性展開了研究。例如，將3-苯氧基苯甲酸原位聚合在活性炭纖維表面，可以顯著提高納米復(fù)合材料的氧化熱穩(wěn)定性，有利于提高其在污水凈化中的耐溫性。王改娟等將丙烯酰胺聚合在活性炭孔內(nèi)，制備了一種多孔聚丙烯酰胺-活性炭納米復(fù)合材料，大大增加了材料對(duì)酚類物質(zhì)的吸附量。張際亮等，分別將甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)原位聚合在活性炭孔內(nèi)，制備多孔聚合物-活性炭功能復(fù)合吸附材料，該復(fù)合材料可選擇性吸附水中的重金屬離子，并保留水中對(duì)人體有利的金屬離子和礦物質(zhì)。

　　2.2 改性活性炭在污水凈化中的應(yīng)用

　　2.2.1 去除水中有機(jī)物

　　去除水中有機(jī)污染物是活性炭在污水凈化領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。研究表明，在活性炭氧化還原過(guò)程中對(duì)其表面進(jìn)行改性處理，使其表面載有鉑，可增強(qiáng)活性炭對(duì)有機(jī)酸的吸附;通過(guò)浸滯的方法使活性炭的活化能改變，大大增強(qiáng)了活性炭對(duì)水中苯酚的吸附效果;根據(jù)硫元素的不同物化性質(zhì)從而采用不同的方式對(duì)活性炭進(jìn)行改性，可選擇性吸附不同價(jià)態(tài)的有機(jī)硫化物。由此可見，利用不同的改性措施處理活性炭可確?；钚蕴繉?duì)水中不同有機(jī)物的吸附去除。

　　2.2.2 去除水中重金屬及離子

　　改性后的活性炭不僅增強(qiáng)了對(duì)水中有機(jī)物的去除，還可以增強(qiáng)其對(duì)重金屬等無(wú)機(jī)污染物的吸附能力。通常地，對(duì)粉末狀活性炭進(jìn)行二次表面處理，在其表面賦予能與重金屬及重金屬離子發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)，如羧基、羥基、氨基，實(shí)現(xiàn)去除水中重金屬的目的。

　　2.2.3 去除水中其他雜質(zhì)

　　當(dāng)活性炭氧化過(guò)程中的煅燒溫度大于800℃時(shí)，對(duì)陰離子的交換容量也會(huì)相應(yīng)地增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中陰離子的去除。研究表明，通過(guò)氧化劑對(duì)活性炭中的還原官能團(tuán)進(jìn)行改性使其具有氧化性，可吸附水中的亞硝酸根離子;另外，經(jīng)NaOH等化學(xué)藥劑改性后的活性炭可起到常規(guī)活性炭不能去除水中殺蟲劑的功效。

　　3、結(jié)語(yǔ)與展望

　　近年來(lái)，活性炭在污水處理方面雖然取得了一定的成果，然而也存在許多問(wèn)題。在廢水處理過(guò)程中，由于活性炭的大比表面積、生物相容性和潮濕環(huán)境，提供了細(xì)菌、真菌及其它微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了危害。因此，如何控制細(xì)菌、真菌等微生物的繁殖是活性炭在污水處理過(guò)程中急需解決的難題。

　　雖然在改性活性炭方面已取得了一定成績(jī)，但該方面的研究仍處于一個(gè)起步階段，許多改性的理論及機(jī)理問(wèn)題尚不明確，以致改性活性炭的吸附性能得不到進(jìn)一步的提升，也制約了改性活性炭在實(shí)際生產(chǎn)的中的應(yīng)用。

　　綜上所述，活性炭要想在污水凈化領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用需要攻克以下幾個(gè)難點(diǎn)：

　　(1)研究開發(fā)既能抑制細(xì)菌生長(zhǎng)又能防止細(xì)菌粘附的活性炭吸附材料。

　　(2)完善活性炭改性機(jī)理，研究開發(fā)簡(jiǎn)單快捷的活性炭改性方法。

　　(3)應(yīng)向著智能高效方向發(fā)展，開發(fā)可選擇性吸附、高效、成本低廉的再生活性炭吸附材料。(來(lái)源：長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院)