活性炭對水中氨氮吸附性能的研究

崔笑穎 南國英 溫雪梅 李士波

【摘要】活性炭對水中氨氮的吸附性能受活性炭的基本結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)影響。未改性活性炭主要通過物理吸附對水中氨氮進(jìn)行去除，吸附性能相對較弱；改性活性炭對水中氨氮的吸附能力有所增強(qiáng)?；钚蕴扛男酝緩街饕袃煞N：一是對原材料進(jìn)行改性后制備活性炭，二是直接對成品活性炭進(jìn)行改性。

【關(guān)鍵詞】活性炭；改性；氨氮；吸附

引言

水體中的氮具有很大危害，它可以導(dǎo)致水體酸化、造成水體富營養(yǎng)化、損害水生動物生長和繁殖的能力，對人類健康也有一定程度的不良影響。污水處理中去除氨氮至關(guān)重要。而近年來，我國生活污水和化工、冶金等工業(yè)廢水中氨氮的含量上升，亟待經(jīng)濟(jì)高效的處理方法進(jìn)行解決。

對高濃度氨氮廢水進(jìn)行處理一般采用吹脫法、化學(xué)沉淀法、高級氧化法和新型生物脫氮法等；較低濃度氨氮廢水則采取傳統(tǒng)生物法、折點(diǎn)氯化法、膜分離法和吸附法等。而高濃度氨氮廢水需經(jīng)過初步處理轉(zhuǎn)換為較低濃度，再對低濃度氨氮廢水進(jìn)行后續(xù)處理。故低濃度氨氮廢水的處理成為關(guān)鍵。

活性炭吸附法在處理低濃度氨氮中應(yīng)用比較廣泛，且活性炭種類繁多，通過不同途徑改性的活性炭對水中氨氮的吸附性能有不同程度地提高，具有廣闊的發(fā)展前景，值得研究。

1、未改性活性炭吸附水中氨氮性能

與活性炭吸附性能有關(guān)的因素有二：一是活性炭的基本結(jié)構(gòu)?；钚蕴繉儆谖⒕翁浚c石墨結(jié)構(gòu)相似，但完整性較差，因此產(chǎn)生孔隙；活性炭在活化時，無組織的炭素和炭成分被消耗，形成大量的孔隙[2]?？紫兜男螤詈头植记闆r及孔隙壁的總面積是活性炭吸附量的重要因素。二是活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)?；钚蕴康幕瘜W(xué)組成主要包括炭素、化學(xué)結(jié)合的元素和灰分。當(dāng)炭素的基本微晶結(jié)構(gòu)規(guī)則時，由范德華力起作用，表現(xiàn)為物理吸附。不規(guī)則時有兩種情況，如果因?yàn)殡s原子的存在，則形成官能團(tuán)，“修飾”炭表面而改變其吸附特性；如果因?yàn)槠湮⒕е写嬖诓煌耆氖珜?，則改變炭素骨架上的電子云，產(chǎn)生不飽和原子價，從而影響其對極性物質(zhì)的吸附?；瘜W(xué)結(jié)合的元素以氫、氧為主，羥基、羧基等官能團(tuán)的存在增強(qiáng)了其吸附性能，但未改性的活性炭官能團(tuán)種類和數(shù)量相對較少。

未改性活性炭對水中氨氮的吸附主要依靠物理吸附，吸附性能相對較弱。于群等于海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過燒杯試驗(yàn)以粉末活性炭和膨潤土對人工配水模擬受污染河水進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：粉末活性炭對氨氮的最大吸附量為2.3mg/g，且在吸附20min后達(dá)到飽和，吸附容量小于膨潤土的5.57 mg/g，吸附飽和時間也小于膨潤土的3h。這是因?yàn)榕驖櫷恋闹饕煞譃槊擅撌?，除了具有很大的?nèi)比表面積，還有較強(qiáng)的離子交換性。田琳等通過燒杯試驗(yàn)以顆粒活性炭和天然沸石對人工配水模擬氨氮廢水進(jìn)行吸附，發(fā)現(xiàn)顆粒型活性炭對氨氮的最大吸附量不足0.6mg/g，小于天然沸石的1.2 mg/g。因?yàn)榉惺粌H具有巨大的比表面積和強(qiáng)烈的靜電吸引力，還具有離子交換性。

2、改性活性炭吸附水中氨氮性能

活性炭改性方法有酸改性、堿改性、負(fù)載改性、等離子體改性、加熱改性、超低溫預(yù)處理+迅速升溫、納米銀離子負(fù)載處理等。目前針對吸附水中氨氮的活性炭改性常用的方法是酸改性和負(fù)載改性，酸改性主要是使活性炭表面產(chǎn)生大量新的微孔并將已有的微孔轉(zhuǎn)化為中孔，且增加活性炭表面酸性官能團(tuán)的種類和數(shù)量，由酸性官能團(tuán)與氨分子的化學(xué)作用促進(jìn)活性炭對氨氮的吸附能力。酸改性既可以應(yīng)用于制備活性炭的原材料，又可以應(yīng)用于成品活性炭；負(fù)載改性是在活性炭表面增加可與銨根離子或氨分子反應(yīng)的原子或化合物，從而改善活性炭對氨氮的吸附性能。負(fù)載改性一般應(yīng)用于成品活性炭。

2.1活性炭制備的原材料改性

制備活性炭需對原材料進(jìn)行炭化和活化，炭化通常是在氮?dú)夥諊屑訜嵘郎?，使原材料中可揮發(fā)的非碳組分被排出并形成亂層類的石墨結(jié)構(gòu)；活化即對原材料改性，通過使用活化劑在一定活化溫度下使炭化產(chǎn)物生成大量的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積及不同的官能團(tuán)。

劉雪梅等通過燒杯試驗(yàn)，以油茶殼為原料，采用不同濃度碳酸鉀溶液對其改性，用改性材料制備的活性炭對人工配制模擬氨氮廢水進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：活化溫度為750℃時用250g/L碳酸鉀溶液改性材料制備的活性炭對20mg/L氨氮溶液的最大吸附量可達(dá)10.06 mg/g。因?yàn)樘妓徕浥c活性炭發(fā)生反應(yīng)，從而對活性炭產(chǎn)生刻蝕作用，形成大量微孔，并且高溫活化使活性炭內(nèi)部的大量官能團(tuán)暴露出來，其中包含能夠與銨根或氨分子發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)，進(jìn)而增強(qiáng)活性炭對水中氨氮的吸附性能。丁紹蘭[7]等用花生殼作為原材料，用1mol/L氫氧化鉀、磷酸和氯化鋅分別對其進(jìn)行改性后制備活性炭，通過燒杯試驗(yàn)對模擬制革廢水中氨氮進(jìn)行吸附，研究發(fā)現(xiàn)：用磷酸改性的花生殼所制備的活性炭投加量為0.6g時對100mg/L氨氮溶液的去除率最大，達(dá)73%，通過計算得出吸附量為12.17mg/g。因?yàn)椴捎昧姿岣男缘幕ㄉ鷼に苽涞幕钚蕴坎粌H表面微孔數(shù)量大大增加，還形成新的酸性官能團(tuán)如羧基，羧基類基團(tuán)中所包含的酸酐與氨分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而增強(qiáng)了活性炭對水中氨氮的吸附能力。

2.2活性炭成品改性

制備活性炭對原材料進(jìn)行炭化和活化時，隨著炭化和活化程度的加深，活性炭的灰分也增加，影響其吸附性能。對成品活性炭進(jìn)行改性就是將活性炭研磨后置于燒杯中，直接加入一定量的改性劑，在一定溫度下通過振蕩、焙燒，去除活性炭的灰分，并促進(jìn)其微孔的形成或產(chǎn)生新的官能團(tuán)，從而增強(qiáng)其吸附能力。

王芳于濱州市材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用分別經(jīng)硝酸鐵、硝酸鋅和硝酸銅溶液改性的活性炭對氯化銨模擬溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：活性炭載銅改性效果最好，載銅7%改性后的活性炭對50mg/L 氨氮溶液的吸附量達(dá)8.6mg/g。因?yàn)榛钚蕴繉Π钡奈街饕揽课锢砦?，而?fù)載的銅達(dá)到一定量時，恰好不堵塞活性炭內(nèi)部孔隙，并與氨分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在物理吸附的基礎(chǔ)上增加了化學(xué)吸附，因此活性炭對水中氨氮的吸附性能有所提高。

3、結(jié)語

未改性活性炭對水中氨氮的吸附主要依靠物理吸附，其吸附量較??；而經(jīng)過對原料改性制備活性炭或直接對成品活性炭進(jìn)行改性，均增強(qiáng)其對水中氨氮的吸附性能，原因是經(jīng)過改性，一方面因?yàn)樵黾恿嘶钚蕴康奈⒖缀椭锌讛?shù)量，使其比表面積增大，另一方面則是引入了新的官能團(tuán)，尤其是羧基、羥基等酸性官能團(tuán)，加強(qiáng)了化學(xué)吸附。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樂紅，周康根，陳泉洲.過飽和吹脫塔處理鈹冶煉高濃度氨氮廢水的工程實(shí)踐研究[J].湖南有色金屬，2016，32（03）：65-68.