改性活性炭處理廢水的研究進(jìn)展

李俊紅(四川文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 四川 達(dá)州 635000)

引言

活性炭本身因其具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，因而在對廢水中的有機(jī)或無機(jī)污染物的吸附上有著十分顯著的作用，且活性炭對于污染物的吸附種類多樣，吸附能力突出，因而在水處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。但是伴隨著越來越多的高分子化合物以及其他化學(xué)類合成品的大量應(yīng)用，活性炭在污染物吸附中逐步乏力，因此，需要對活性炭進(jìn)行改性，以提高其對高分子化合物等污染物的親和力，增強污水處理效果。國內(nèi)外許多學(xué)者也對活性炭的改性工作進(jìn)行了大量的研究，并取得了較好的成績。

一、活性炭改性的研究

活性炭內(nèi)部具有極大的比表面積，其數(shù)值大約為每克500-1500平方米，且活性炭內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，表面具有多種多樣的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，因而具有極強的吸附能力，能夠?qū)ξ鬯写蠖鄶?shù)污染物進(jìn)行高效吸附，吸附范圍很寬。但是近年來，隨著化學(xué)合成工業(yè)的進(jìn)步，越來越多的高分子化合物排入水體，造成了嚴(yán)重的水質(zhì)污染?；钚蕴繉τ诖祟惛叻肿踊衔锏奈阶饔弥饾u減弱，因此，活性炭改性技術(shù)應(yīng)運而生?；钚蕴扛男约夹g(shù)是指通過化學(xué)或物理方法，對活性炭表面官能團(tuán)進(jìn)行改性或?qū)ζ鋬?nèi)部孔隙進(jìn)行改性，使其對高分子化合物能夠具有更高的吸附親和力以及更強的吸附容量和能力。對活性炭物化性質(zhì)的改變，主要包括表面官能團(tuán)、比表面積、孔隙率、孔徑等多種方面。

改性活性炭的研究目前多集中在不同的改性技術(shù)對于活性炭物化性質(zhì)的改變以及對于水相污染物處理能力的提高上，也是近些年來的研究熱點，目前已有的改性技術(shù)主要包括氧化法、還原法以及加載不同離子或化合物法。

二、活性炭改性方法研究

國內(nèi)外近年來針對活性炭改性方法的研究主要集中在表面氧化、還原改性以及負(fù)載單一或多種離子及化合物的改性方法研究上。

1.表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性由于主要利用各種酸性溶液對其進(jìn)行改性處理，因而又叫做酸性改性方法。其主要原理是通過在酸性溶液中的處理，使得活性炭表面的酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量得到提高，改善活性炭的親水性和極性，彌補活性炭對于水溶液中極性物質(zhì)吸附能力低下的缺陷，使其在對極性和非極性物質(zhì)的吸附中都能夠有較好的表現(xiàn)。國際上許多學(xué)者對酸性改性方法及其性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究與探討。

A.GiL利用硝酸和過氧化氫的酸性溶液作為活性炭表面改性的氧化劑，對活性炭進(jìn)行不同溫度下的改性方法研究，并得出了采用硝酸溶液進(jìn)行表面氧化，在低溫時，表面氧化改性主要是改變了活性炭內(nèi)部孔隙容積，從而改變其吸附能力；而在高溫達(dá)到攝氏90度時，酸性改性的活性炭內(nèi)部中孔減少更多，取而代之的是更多數(shù)量的微小孔隙，更增加了其比表面積，吸附能力得到強化。而采用過氧化氫溶液對活性炭進(jìn)行氧化改性處理后，相較于硝酸做氧化劑得到的效果要有所不及，從而得出硝酸相比于過氧化氫溶液更適合作為活性炭改性的氧化劑。

學(xué)者M(jìn)oreno-Castilla等人利用過氧化氫、(NH4)2S2O4以及硝酸對活性炭進(jìn)行表面改性氧化處理，并利用比表面積、傅里葉紅外光譜分析、掃描電鏡分析等方法對其改性后性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，氧化改性后的活性炭極性明顯增加，且通過掃描發(fā)現(xiàn)，其表面官能團(tuán)數(shù)量較之未改性前有了很大提高，其吸附能力得到很大提升。Tsutsum i等學(xué)者則將經(jīng)過氧化改性后的活性炭置于空氣中，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，改性活性炭表面羥基數(shù)量明顯增加，親水性和極性有明顯提高，對水中有機(jī)物、無機(jī)物的吸附能力明顯增強。

國際上有許多學(xué)者將改性活性炭應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，并對此進(jìn)行了大量的工作。Morw ski等學(xué)者利用硝酸氧化改性后的活性炭對水中的污染物質(zhì)三鹵代甲烷進(jìn)行吸附，并與未改性前活性炭吸附能力進(jìn)行對比，結(jié)果表明，改性后的活性炭對于三鹵代甲烷的吸附能力明顯高于改改性活性炭，吸附量大于125mg/g。Haydar等研究人員將硝酸混合次氯酸鈉溶液氧化改性后的活性炭用于對水中p-硝基苯酚的吸附，實驗結(jié)果表明改性后的活性炭對于p-硝基苯酚的吸附能力有了明顯提高，這主要是由于含氧官能團(tuán)數(shù)量的增加，尤其是羧基這種官能團(tuán)數(shù)量的增加。但是由于改性后活性炭內(nèi)部空隙組織變化，反而影響了其吸附容量，其吸附能力極值可以達(dá)到490mg/g以上。

國內(nèi)也有很多學(xué)者對活性炭改性進(jìn)行了大量研究。張巖等研究人員利用硝酸對活性炭進(jìn)行改性處理，并用于吸附水中的硝基苯，通過對比未改性前的活性炭吸附情況，發(fā)現(xiàn)改性后的活性炭吸附能力大大提高，對于水中硝基苯的去除率達(dá)到了99.8%以上，性能得到很大提高。

田生友采用與A.GiL學(xué)者相似的方法氧化活性炭，實現(xiàn)活性炭的改性處理，并用于吸附CS2，實驗取得了很好的效果，改性后活性炭吸附能力得到極大提高，提高幅度約為44%。此外，對于污水中重金屬離子的去除，氧化后的改性活性炭也能起到較好的去除效果。采用A.GiL學(xué)者制取的改性活性炭，對水中二價鉛離子可以進(jìn)行很好的去除；而利用Moreno-Castilla等人制備所得活性炭可以對水中三價鉻離子實現(xiàn)很好的去除。

2.還原改性

與表面氧化改性類似，還原改性主要是利用還原劑對活性炭進(jìn)行表面處理，其主要目的也是改變活性炭表面呈堿性的官能團(tuán)數(shù)量。與氧化改性不同之處在于，還原后的活性炭主要是為了提高對水溶液中的非極性物質(zhì)實現(xiàn)更好的吸附效果。常用的還原劑有還原性氣體，如H2等，堿溶液，如NaOH溶液等。由于水體中非極性污染物多來源于染廠、農(nóng)藥、化工產(chǎn)品等，因此，還原處理的改性活性炭常用于受農(nóng)藥或化工污染的水體的污染物吸附。

Pereira等人在研究中發(fā)現(xiàn)，還原改性活性炭對于染廠排出的污染物的吸附主要是化學(xué)作用，即利用表面堿性官能團(tuán)與主要污染物發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)對污染物的吸附。利用還原性氣體對活性炭實現(xiàn)改性時，須在高溫下進(jìn)行，利用H2對活性炭進(jìn)行改性處理，分析制備所得活性炭可知，活性炭內(nèi)部比表面積得到很大提高，并應(yīng)用于多種農(nóng)藥的吸附后效果很好。

3.加載雜原子及化合物法

除上述氧化及還原改性方法外，目前國內(nèi)外學(xué)者還對活性炭加載雜原子及化合物進(jìn)行改性處理，加入的雜原子一般為氧、硫、氮、氯等，除此之外，還有金屬及非金屬原子和化合物，經(jīng)過該種方法改性后的活性炭一般用于吸附特定的污染物。

Monser利用沉降法，將四丁基銨用于改性活性炭處理，經(jīng)過處理后的活性炭對電鍍廢液中重金屬離子吸附能力較之活性炭吸附能力較強。Ramos等人利用鋁對活性炭進(jìn)行改性處理，得到的改性活性炭針對氟化物的吸附能力提高了3-5倍。

結(jié)論

改性活性炭解決了活性炭對越來越多類型的水體污染處理能力不足的現(xiàn)狀，在廢水處理方面具有越來越突出的技術(shù)優(yōu)勢。本文對國內(nèi)外現(xiàn)有的活性炭改性技術(shù)進(jìn)行了較為全面的綜述，針對氧化改性、還原改性以及負(fù)載雜原子等方法獲得的改性活性炭及其應(yīng)用范圍以及應(yīng)用效果，本文也做了詳細(xì)的論述。本文對活性炭改性方法及應(yīng)用的研究能夠提供一定的理論和方向指導(dǎo)。

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