活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

李栗瑩(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

0 引言

由于活性炭能有效去除水體中的異味、有機(jī)無機(jī)物體，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于處理城市生活污水、工業(yè)廢水、凈化水資源領(lǐng)域，有很好的效果?；钚蕴坑址Q為活性炭黑。根據(jù)不同的原料和生產(chǎn)工藝，其顏色有一定的差異，但主要是黑褐色。由于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，活性炭材料的比表面積非常大，可以達(dá)到2000m2/g 以上，因此具有很強(qiáng)的吸附性能，而其自身的疏水性能使其廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。

1 活性炭性質(zhì)及特點(diǎn)

活性炭是一種無形無味的炭，是由煤、瀝青、石油焦、果殼等含炭元素的原料制成的，外表是黑色狀粉末或塊黑狀，且活性炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密度很大，易溶于、吸附各種物體。一般的活性炭表面積小到600m2/g，大到1600m2/g，強(qiáng)性的活性炭表面面積可高達(dá)3600m2/g?；钚蕴康闹饕煞譃樘?，在活性炭中含96%。由此，碳可以與氧氣、氮?dú)?、氫氣結(jié)合，組成有利的吸附因子、凈化因子，有效將污水、廢水中的不明物體進(jìn)行吸附清潔[1]。因?yàn)槊總€(gè)需吸附的物體均不同，需要活性炭不同吸附質(zhì)的特性，那么選擇各種各樣的活性炭也是重中之重。所以，選擇物理或化學(xué)吸附均要考慮活性炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)活性來進(jìn)行吸附和凈化，例如范德華研究的活性炭吸附力顯示吸附過程中溫度非常重要，溫度越高吸附越小且不可逆。但活性炭密度不平均，被吸附的物體與活性炭表面發(fā)生碰撞后，會與其表面的元素進(jìn)行交互作用，從而進(jìn)行元素的轉(zhuǎn)移、共享、吸附。

2 活性炭的吸附機(jī)理

在活性炭的制備過程中，揮發(fā)性有機(jī)物被去除，形成許多不同形狀的孔?？紫堵收蓟钚蕴靠傮w積的50%以上，其活性炭表面含有的活物可達(dá)1500m2，但90%活性會大于多孔結(jié)構(gòu)的面積，從而進(jìn)行吸附[2]。對此，活性炭的孔分布密度、數(shù)量也非常大，最小可至1nm，最高可至100nm，甚至更高。通常上說，活性炭可以按照結(jié)構(gòu)中的孔分為小孔、中孔、大孔。且吸附過程中，活性會根據(jù)為孔的密度分別進(jìn)行吸附，從而不斷優(yōu)化吸附容量。而且，活性炭中的孔也是一個(gè)吸附通道，其分布在活性炭中不同的地方，可以影響著不同的吸附和分解能力及速度。因此，活性炭在吸附過程中，溶質(zhì)從溶劑兩者會發(fā)生交互作用，從而會驅(qū)動(dòng)分解、濃質(zhì)、濃劑之間的相互運(yùn)用，從而改變活性炭的性質(zhì)。因此，在水處理中，活性炭吸附可以將污染物化為疏水性和親水性有機(jī)化合物。溶質(zhì)對吸附劑表面的親和力可分為溶質(zhì)在溶劑中的溶解度和溶質(zhì)與吸附劑之間的范德華力、化學(xué)鍵力和靜電引力。通常上，活性炭交互作用下是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。它是一種通過物理吸附、化學(xué)吸附、交換吸附、氧化、催化氧化和活性炭還原去除水中污染物的水處理方法。

3 活性炭在水處理方面的應(yīng)用

3.1 活性炭吸附法應(yīng)用于吸附重金屬離子

活性炭對重金屬離子的吸附除表面積大、孔道發(fā)達(dá)、空腔容量大外，還取決于活性炭表面的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性，活性炭表面含氧和含氮官能團(tuán)的存在可以改變重金屬的化學(xué)性質(zhì)。

因現(xiàn)代化工業(yè)不斷的發(fā)展中，大量的重金屬離子不斷地從工業(yè)廢水中分散出來，存有極大的安全隱患。對此，利用活性炭的結(jié)構(gòu)密度特點(diǎn)，可以不斷地優(yōu)化活性炭鏈接式的密度結(jié)構(gòu)，從而加快對重金屬離子的吸附、分解[3]。近年來，多元化的行業(yè)不斷新起，工業(yè)技術(shù)優(yōu)化中不斷產(chǎn)生重金屬離子的廢水?；钚蕴可砩嫌泻芏嗟幕瘜W(xué)、物理性質(zhì)，可以有效地去除重金屬離子，對其進(jìn)行吸附。且在重金屬離子中六價(jià)鉻的金屬最多，其以各種不一樣的形式存在于水中，其結(jié)構(gòu)中所含的pH 值也是不同的。而且，活性炭微孔結(jié)構(gòu)可以很好地對重金屬的陰離子進(jìn)行吸附，從而改性重金屬中含有的元素，使其表面吸附的負(fù)價(jià)鐵、其他正價(jià)金屬會發(fā)生交互作用，尤其是六價(jià)鉻，會對鉻產(chǎn)生化學(xué)吸附，從而去除水中的微量鉻。改性活性炭可用于電鍍廢水中鉻的處理，吸附水可達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 活性炭吸附法應(yīng)用于吸附水中有機(jī)物

活性炭對水中有機(jī)污染物具有良好的吸附能力?；钚蕴康挠H水性優(yōu)于親油性炭。因此，活性炭對含油廢水的吸附一般是采用其他方法吸附油脂，然后再用活性炭進(jìn)行二次吸附。用這種方法吸附后的廢水含油量將降低到0.1～0.2mg/L。

二是吸附含重金屬離子的污水。例如酚類化合物、苯類化合物、石油和石油產(chǎn)品等具有很強(qiáng)的吸附能力，還可以去除生物法pH 和其它化學(xué)法難以去除的有機(jī)污染物、除草劑、殺蟲劑、農(nóng)藥等異味；亞甲基藍(lán)表面活性劑、合成染料、含有胺類、合成洗滌劑及多元化合成的有機(jī)物同時(shí)也具備吸附能力，可有效去除水中雜質(zhì)[4]。該吸附過程中可以有效避免其他元素融合產(chǎn)生的毒副作用，也能提升吸附效果，且對微生物的吸附能力也具有很強(qiáng)的去除效果。對此，活性炭可以被作為過濾技術(shù)使用。

3.3 活性炭吸附法應(yīng)用于污染水源凈化

常規(guī)的凈水工藝無法全部清除水中雜質(zhì)、污染元素、有機(jī)物的，但活性炭的分子可以對水中的多元化元素具有吸附作用。西方國家很早以前，就開始使用粉末狀態(tài)的活性炭對水中雜質(zhì)、異味進(jìn)行吸附清潔。但粉末狀態(tài)的活性炭只適用于有機(jī)物、氨水污染的異味去除，無法用于季節(jié)性、高壓污染的水源凈化。且采用粉末狀的活性炭處理時(shí)，需添加適量的懸浮液進(jìn)行處理，該用量還需根據(jù)水的質(zhì)量逐步少量添加，需控制元素之間的作用時(shí)間。對此，加藥點(diǎn)可靠近原水泵或在澄清池前。由于其重復(fù)性差，抗干擾能力弱，污染水源和長期使用應(yīng)逐步由顆粒炭替代。在給水處理中，顆?；钚蕴恐饕捎梦街蛭剿男问健．?dāng)吸附飽和時(shí)，可以再生以恢復(fù)其吸附能力。在歐美許多水廠中，由于需要大量的基建費(fèi)用和一定的建筑面積來增加活性炭吸附過濾裝置，采用顆?；钚蕴看嫔盀V池中的砂。

3.4 活性炭吸附法應(yīng)用于城市污水處理

由于二級污水處理技術(shù)無法全部清除水中微生物的雜質(zhì)，其出水的質(zhì)量無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。但在我國水資源干枯地帶，要考慮污水回用，進(jìn)一步提高排放水質(zhì)要求。因此，利用活性炭吸附技術(shù)去除污水中殘留的溶解性有機(jī)物等雜質(zhì)，已成為城市污水和工業(yè)廢水深度處理的有效手段。二沉池二級處理水一般經(jīng)過砂濾、活性炭吸附、氯氣消毒等工藝處理，達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)?；钚蕴课蕉壧幚硭捎脝嗡o態(tài)運(yùn)行、多塔串聯(lián)運(yùn)行，從而達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 活性炭吸附法對含油污水的處理

隨著石油及其工業(yè)的快速發(fā)展，石油已成為普遍的污染源，其不斷破壞生態(tài)環(huán)境的維護(hù)。對此，市場大多數(shù)的行業(yè)、物品含油量不斷提升，其分布領(lǐng)域十分廣泛。近年來，處理含油的污水處理方式有很多，且新的處理方式不斷涌現(xiàn)中。但在眾多處理方式中，活性炭吸附技術(shù)可優(yōu)先將水中的油進(jìn)行吸附，從而進(jìn)行溶解作用。但其處理成本比較高，且吸附油的量有限，不能無限吸附油。因此，活性炭吸附技術(shù)對于含油污水的處理只可作為水處理的最后一級使用，無法作為前期處理技術(shù)使用。它作為最后一級凈水技術(shù)，可以有效對污水殘留有機(jī)物進(jìn)行深層吸附、凈化，有效溶解水中的含油量。

3.6 活性炭吸附法處理紡織業(yè)廢水

紡織業(yè)作為我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，但紡織業(yè)的污染廢水也不斷提升。據(jù)有關(guān)材料顯示，我國紡織業(yè)一天的排放量高達(dá)4 千噸，且紡織業(yè)的污染物色系復(fù)雜，C、b 值高，水質(zhì)變化大，處理難度大。吸附法是利用多孔活性炭吸附廢水中的污染物，從而對印染廢水進(jìn)行凈化。能有效去除廢水中C、B 的色度和OD。印染廢水的處理方法有氧化法、生物降解法、絮凝法、膜分離法、吸附法等。國內(nèi)外對活性炭處理印染廢水的研究較多。但由于印染廢水處理難度大，單用活性炭處理印染廢水的應(yīng)用和研究還不多見。它們大多與其它工藝相結(jié)合，以活性炭為載體、催化劑或深度處理，對印染廢水進(jìn)行較好的凈化和脫色。

3.7 活性炭處理含汞廢水

在氯堿工業(yè)中，汞作為負(fù)極生產(chǎn)氯和燒堿；在聚氯乙烯、乙醛和醋酸乙烯酯的合成作業(yè)中，汞元素是作為很多產(chǎn)業(yè)的催化劑，是比較常見的產(chǎn)業(yè)用劑。因此，工業(yè)的廢水含有很高的汞元素。對此，汞元素對于人體的傷害具有嚴(yán)重的毒副作用，長期接觸可導(dǎo)致人的腦神經(jīng)受到損害，嚴(yán)重可致人死亡。然而，活性炭基數(shù)可以有效對工業(yè)廢水中的汞元素進(jìn)行吸附，但只能吸附低濃度廢水中的汞元素。因此，當(dāng)工業(yè)廢水中的汞元素較高時(shí)，是無法全部吸附的。因此，可先降低汞元素在廢水中的濃度，在進(jìn)行活性炭技術(shù)凈化。1mg/L～2mg/L 活性炭出水中汞含量可降至0.01mg/L～0.05mg/L，可循環(huán)利用。如電解廠廢水中汞的濃度為，則在處理過程中加入硫酸亞鐵和5mg/L～10mg/L 硫化鈉進(jìn)行反應(yīng)。經(jīng)沉淀池分離沉淀后，上清液中汞的濃度降至，再經(jīng)顆?；钚蕴?.1mg/L～1.0mg/L 池，廢水中汞的濃度降至吸附后。0.01mg/L～0.05mg/L 活性炭對有機(jī)汞的吸附量高于無機(jī)汞。當(dāng)活性炭對汞的吸附值降低時(shí)，汞的去除率也隨之提高。報(bào)道了用二硫化碳溶液對活性炭進(jìn)行預(yù)處理，可大大提高活性炭的除汞能力。

4 活性炭的發(fā)展前景

隨著社會科學(xué)技術(shù)的不斷提升下，人們對活性炭原有的吸附和凈化能力已不再滿意。為了提高活性炭的凈化能力，有必要加大活性炭技術(shù)的開發(fā)力度，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理。在世界范圍內(nèi)，活性炭市場尚未正式形成，其研究尚處于發(fā)展階段。隨著水污染日益嚴(yán)重，對活性炭的需求將逐漸增加。目前，我國活性炭市場發(fā)展受到設(shè)備缺乏、技術(shù)含量低、成本高等因素的制約。相信在未來的發(fā)展中，我國活性炭市場的發(fā)展將得到有效的解決。

5 結(jié)語

目前，我國活性炭供給非常緊俏，其再次利用的成本非常高，極大程度地規(guī)范活性炭的使用。因此，為了提升活性炭吸附有機(jī)污染物的能力，提升凈化水能力，活性炭吸附技術(shù)在于水處理領(lǐng)域中，會不斷提升進(jìn)步。對此，活性炭吸附組合技術(shù)會不斷地將純活性炭吸附技術(shù)進(jìn)行更替，從而成為處理水行業(yè)的領(lǐng)頭羊。