活性炭吸附技术在水处理方面的应用
摘要:现代工业的迅猛发展给环境带来的污染日益严重,尤为严重的是水体污染,已经引起了全世界的普遍关注。

同时,随着人们生活水平的不断提高和环保意识的不断增强,使得人们对引用水水质的要求愈来愈严格。

活性炭是最常用的优良的吸附剂,深刻了解活性炭的特性,正确选择活性炭,充分发挥其在水处理的作用,达到深度处理的效果。

成为近来研究的重点。

关键词:活性炭吸附水处理
1 活性炭性质及特点
活性炭是一种由煤、沥青、石油焦、果壳等含碳原料制成的外观呈黑色的粉末状或颗粒状的无定形碳。

活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强。

普通活性炭的比表面积为500～1500m2/g,超级活性炭比表面积则高达3500～5000m2/g。

活性炭所含主要元素是碳,含量为90%～95%。

氧和氢大部分是以化学键的形式与碳原子相结合形成有机官能团,氧含量4%～5%左右,氢含量一般是1%～2%。

活性炭中最常见的官能团有:羧基、酚羟基和醌型羧基,此外还有醚、酯等。

活性炭性质与很多因素有关,比如制备原料,活化剂种类,活化剂用量,活化温度,活化时间,加热方式等。

不同的制备方式所制备的活性炭的物理结构和化学性质有很大的差别,因此对于同一种吸附质来说,其吸附性能也有很大的差异性。

一般认为,磷酸法制备的活性炭具有
较多的介孔和较强的离子交换能力,碱法制备的活性炭微孔比较发达。

因此可根据不同吸附质的特点选择所需要的活性炭种类。

另外,根据不同吸附质的特点选用不同性质的活性炭种类是非常重要的。

活性炭吸附作用有包括物理吸附和化学吸附。

物理吸附主要发生在活性炭丰富的微孔中,比如通过范德华力进行吸附,物理吸附吸附热很小,且是可逆的。

另一方面由于活性炭表面存在不均匀力场,表面上的原子往往还有剩余的成键能力,当吸附质碰撞到活性炭表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有,形成吸附化学键的吸附作用发生电子的转移、交换或共有,形成吸附化学键的吸附,此过程为化学吸附。

2 活性炭吸附的影响因素
活性炭在吸附方面看似简单,但是所涉及的吸附作用原理和吸附过程较为复杂,影响因素也较多。

主要与活性炭本身性质、吸附质的性质、活性炭吸附的过程原理以及选择的运行参数与操作条件等因素有关。

2.1 活性炭本身的性质
由于活性炭表面含吸附位点,是吸附质的附着点,所以吸附剂的比表面积是影响吸附的重要因素之一。

一般来说,比表面积越大,吸附性能越好。

但是大的比表面积并不意味着好多吸附效果,孔的分布和表
面性质也是影响活性炭吸附的重要因素,比表面积大只是个必要条件。

2.2 吸附质的性质
不同污染物在同一种活性炭上的吸附量差别很大。

有的吸附量较大,有的却几乎没有一点效果。

这就和吸附质的性质有很大的关系。

比如带表面负电的活性炭对正价的离子效果很好,但是对砷酸根、铬酸根等负离子的吸附效果几乎为零。

因此吸附质的(1)溶解度;(2)分子构造,吸附质分子的大小和化学结构对吸附有较大的影响;(3)极性活性炭基本可以看成是一种非极性的吸附剂,对水中非极性物质的吸附能力较对极性物质的大;(4)吸附质(溶质)的浓度吸附质的浓度在一定范围时,随着浓度增高,吸附容量增大,达到一定程度时,逐渐趋于稳定。

2.3 溶液pH值的影响研究
表面活性炭吸附和溶液pH值有很大的关系,主要是因为活性炭和吸附质(溶质)在不同的pH值下性质都不同。

一方面,溶液pH值控制了酸性或碱性化合物的解离度, 当pH值达到某个范围时,一些化合物就要离解,影响这些化合物的荷电情况,进而影响这些化合物的吸附,pH值也会影响胶体物质吸附质(溶质)的带电情况。

另外,溶液的pH 值还会影响吸附剂的表面性质,可能使活性炭表面质子化,影响吸附效果。

2.4 温度
温度是影响活性炭吸附又一因素,但是它不像pH的影响那么大,低温有利于物理吸附,高温有利于化学吸附的完成。

3 活性炭在水处理方面的应用
作为一种广谱的吸附剂,活性炭的应用和研究开发越来越受到人们的重视。

20世纪70年代以前,活性炭在国内的应用主要集中于制糖、制药和味精行业;后来又扩展到水处理和环保等行业;20世纪90年代,除以上领域外,扩大到溶剂回收、载体、医药、黄金提取、食品饮料提纯、超级电容等众多应用领域陈。

对于活性炭应用的研究,正在向更广泛的领域展开。

3.1 活性炭对水中重金属离子的吸附
目前冶金、电镀、电解、纺织印染、油漆、合金、造纸与尤机颜料制造等行业,每年排放大量含有多种重金属离子的工业废水。

活性炭以其独特的物理、化学性质成为去除重金属离子的常用吸附剂之一。

在电镀中行业中,铬是用量较大的一种重金属原料,在废水中随pH 值的不同,六价铬会以不同的形态存在。

活性炭有非常发达的微孔结构和较高的比表面积,具有极强的物理吸附能力,但是,我们前期研究表明活性炭对以阴离子存在的重金属吸附效果不佳,对于这种以阴离子存在的吸附质,需要对活性炭表面进行修饰,比如在借助活性炭巨大的比表面积在其表面上负载铁或者是其他的正价金属,通过对Cr产生
化学吸附作用。

达到去除水中微量Cr的目的。

改性后的活性炭完全可以用于处理电镀废水中的Cr,且吸附后的水可达到国家排放标准。

对于正价重金属离子的去除,活性炭是比较有优势的,陈芳艳等以活性炭纤维作为吸附剂,考察了水样pH和震荡时间对去除水中镉、镍、铜三种重金属离子吸附效果的影响。

结果表明,活性炭纤维对水中三种重金属离子都具有良好的吸附性能,且吸附后的吸附剂易于再生,可重复利用,是去除水中离子态重金属的优良吸附剂。

3.2 对水中有机物的吸附
活性炭对水中有机污染物有良好的吸附能力。

如酚类化合物、苯类化合物、石油及石油产品等具有较强的吸附能力,而且对用生物法和其它化学法难以去除的有机污染物,除草剂、杀虫剂、农药、如异臭、亚甲蓝表面活性物质、合成染料、胺类化合物、合成洗涤剂及许多人工合成的有机化合物等都有较好的去除效果。

吸附效果好,且没有副产物的生成,克服了生物和化学方法处理化可能会产生更有毒性副产物的这一弱点。

同时,活性炭吸附法对微污染有机物有很好的去除效果,这是其他方法所不及的。

所以活性炭一般过滤作为最后的处理。

近年来研究表明,饮用水中HAAs的含量虽低,但是致癌风险却远高于THMs。

张金松等采用臭氧化-生物活性炭(O3/ BAC)深度处理工艺去除水中消毒副产物前质,试验结果表明,该方法能够有效去除水中消毒副产物前质,可控制化消毒副产物的生成。

可保障饮用水的安全。

3.3 活性炭用于废水的脱色处理
张小璇等人采用活性炭吸附法对染料废水进行脱色处理,结果表明:在最佳的吸附条件下,对酸性品红、碱性品红和活性黑B-133这三种染料废水的脱色率均超过97%。

出水的色度稀释倍数不大于50倍,COD小于50mg/L,达到国家一级排放标准。