水處理中活性炭纖維的應(yīng)用分析

陳 勁

(湖南龍舞環(huán)?？萍加邢薰?湖南 常德 415000)

水污染中存在大量有機(jī)污染物且難以降解，還存在很多金屬離子等等，通過(guò)以往使用的水處理工藝已經(jīng)很難去除有機(jī)污染物和金屬離子等，所以污水處理回收、水資源再生等，受到的限制非常嚴(yán)峻。其中，利用活性炭纖維，使得水處理問(wèn)題得到了突破和創(chuàng)新，獲取了全新的解決途徑。ACF屬于碳纖維工業(yè)日益發(fā)展當(dāng)中產(chǎn)生的一種全新碳材料，基于高性能碳纖維研究的前提下，將其研制成功，屬于第3代活性炭產(chǎn)品。

一、ACF基本結(jié)構(gòu)以及特征

ACF(Activated Carbon Fiber.ACF)的構(gòu)成主要包括PAN、纖維素基、酚醛樹脂和瀝青基等，相應(yīng)的有機(jī)纖維原料在炭化和活化之后便可獲取。ACF的SEM圖像如圖一所示。此外，ACF的孔徑分布以及GAC的孔徑分布圖比較，可以分析得出：與以往的活性炭相比較ACF、PAC以及GAC，無(wú)任何粗孔以及過(guò)度孔，只有微孔存在，并且分布著均勻的孔徑，一般都為1nm，體積占據(jù)總體積的大概90%。此外，ACF當(dāng)中的微孔結(jié)構(gòu)具備的可修飾性非常大，可利用活化工藝以及表面改性處理對(duì)表面結(jié)構(gòu)加以控制，并對(duì)孔徑分布實(shí)施調(diào)節(jié)，這樣能夠?qū)Ω鞣N類型的被吸附物質(zhì)，有針對(duì)性的對(duì)微孔孔徑加以設(shè)計(jì)，使其有相應(yīng)的吸附能力，同時(shí)ACF具備的表面官能團(tuán)也非常理想[1]。

圖一 ACF的SEM圖像

ACF屬于微孔碳非常典型的一種，其化學(xué)以及物理的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其有更強(qiáng)的突出優(yōu)勢(shì)特征[2]。其一，比表面積范圍大；其二，孔徑的分布情況非常窄，所以吸附微孔口比較多，產(chǎn)生的效果更強(qiáng)，并且可以在纖維表面直接暴露；其三，只有很短的吸附行程；其四，成型非常容易，不容易發(fā)生粉化，在振動(dòng)的情況下，也不會(huì)有松動(dòng)以及過(guò)分密實(shí)情況發(fā)生；其五，再生比較容易，有很長(zhǎng)的應(yīng)用壽命。所以ACF具備的吸附能力與以往使用的活性炭相比，產(chǎn)生的應(yīng)用性能以及價(jià)值更為突出。根據(jù)相關(guān)研究顯示，ACF吸附容量與傳統(tǒng)活性炭相比較，大概會(huì)超出1～10倍，吸附以及脫附速率，是以往活性炭的100倍左右。特別需要關(guān)注的是ACF針對(duì)低濃度吸附質(zhì)，特別是痕量級(jí)吸附質(zhì)產(chǎn)生的吸附量依然很高。此外，ACF還能對(duì)貴重金屬離子產(chǎn)生氧化還原能力，所以對(duì)于富集回收得以實(shí)現(xiàn)[3]。

二、活性炭纖維在水處理當(dāng)中的應(yīng)用分析

(一)廢水處理

ACF在凈化水處理當(dāng)中，產(chǎn)生的吸附容量非常大，并且有著較快的吸附速度。此外，脫附也有非?？斓乃俣?，并且灰分比較少，可以對(duì)大量的廢水進(jìn)行處理，使用壽命比較長(zhǎng)。在環(huán)保工程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)利用ACF，因?yàn)榘踩⑶也僮鞅憬?，體積密度小，吸脫層薄等等，并不會(huì)出現(xiàn)蓄熱情況以及過(guò)熱問(wèn)題，所以發(fā)生事故的概率非常低，有著經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的優(yōu)勢(shì)，在大型上水、凈水處理當(dāng)中有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，不但有著非常高效率的凈化能力，在投資方面，也不需要較高的支出，但收益效果非常高。

不同有機(jī)質(zhì)的廢水處理都可以利用ACF，例如：處理四苯廢水、含氯廢水、制藥廠排出廢水、有機(jī)燃料排出廢水、造紙?jiān)斐傻暮谝旱鹊?，與粉狀活性炭具備的吸附能力相比，ACF有著更高的吸附能力，在高平衡濃度當(dāng)中使用更為理想。ACF每克產(chǎn)生的吸附量大概是粉性活性炭具備的吸附能力三倍以上，并且溫度升高之后，相應(yīng)的吸附能力也會(huì)有所提升。

例如：劍麻基ACF，可以對(duì)不同的有機(jī)染料進(jìn)行去除，例如：鉻藍(lán)黑R、結(jié)晶紫等等，可高達(dá)100%的去除率。瀝青基ACF對(duì)于酸性染料產(chǎn)生的吸附效果非常強(qiáng)，例如：酸性橙10也可以對(duì)直接藍(lán)19等燃料進(jìn)行去除。針對(duì)ACF電極法對(duì)造紙黑液進(jìn)行電解的探究當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)條件為PH=7，電解=80min，去除COD的效率為65.34%，去除色度的效率為95%。使用的裝置，如圖二、圖三所示。酸析以及聚酯絮凝對(duì)黑液進(jìn)行預(yù)處理之后，便可以開展ACF電極電解，可對(duì)COD以及色度的去除有相應(yīng)的提升。通過(guò)酸化結(jié)合電解的方法，產(chǎn)生的去除率高達(dá)95.1%以及99.54%，幾乎等于清澈透明的水質(zhì)。

圖二 電生物脫氮反應(yīng)器

圖三 富集及固定反硝化菌反應(yīng)器

(二)回收廢水中的有用物質(zhì)分析

ACF當(dāng)中具備的微孔結(jié)構(gòu)以及表面特殊官能團(tuán)會(huì)產(chǎn)生吸附選擇性，可以對(duì)廢水當(dāng)中存在的有機(jī)化工原料等進(jìn)行吸附，利用脫附回收工作，可以保證環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升。例如，針對(duì)曬黑T染料產(chǎn)生的工業(yè)廢水進(jìn)行處理，利用ACF產(chǎn)生的去除效率高達(dá)95.7%，出水CODcr小于150mg/L，與規(guī)定的排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相符。ACF如果達(dá)到飽和吸附狀態(tài)，使用堿脫附劑進(jìn)行處理之后，便可以再次使用。脫附液經(jīng)過(guò)酸處理時(shí)，可以對(duì)有用物質(zhì)加以回收，使其產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效果。借助ACF對(duì)十三嗎啉農(nóng)藥廢水進(jìn)行處理，CODcr由之前的2500mg/L下降至140mg/L，產(chǎn)生的去除效率高達(dá)95%。ACF在達(dá)到吸附飽和狀態(tài)之后，采用酸性無(wú)機(jī)脫硫劑對(duì)其進(jìn)行處理，脫附液使用氫氧化鈉溶液對(duì)其進(jìn)行中和，完成處理之后，便可以對(duì)部分有機(jī)物進(jìn)行回收。此外，ACF可以達(dá)到2.5a的使用壽命，甚至更長(zhǎng)。

(三)廢水深度處理

利用生物以及物理化學(xué)對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行相應(yīng)的處理之后，并不符合提出的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，需要再次使用ACF實(shí)施深度加工處理。例如：針對(duì)某車間排出的廢水進(jìn)行處理，其過(guò)程為先混凝再澄清，最后過(guò)濾。完成這一系列的處理工作之后，發(fā)現(xiàn)仍然存在6000mg/L左右的CODcr，此時(shí)利用ACF對(duì)其進(jìn)行吸附深度處理加工，最終的CODcr已經(jīng)小于900mg/L，與廢水排放標(biāo)準(zhǔn)相符。

除針油、鐵離子、硫化物等物質(zhì)進(jìn)行去除以外，對(duì)于總磷酸鹽、堿化度等也有相應(yīng)的去除效果。ACF在失去效果作用之后，只需要利用過(guò)熱水蒸氣，便可以實(shí)現(xiàn)再生，并且再生之后的吸附容量不會(huì)有較大的改變[4]。

(四)水質(zhì)凈化

ACF產(chǎn)生的水質(zhì)凈化效果十分突出，例如可以使渾濁的水質(zhì)變得澄清，將水中存在的異味去除，并且可以凈化存在的高錳、高鐵等一系列無(wú)機(jī)物。針對(duì)一些有機(jī)化合物的去除，例如氫、氯、氟等，可達(dá)到90%以上的去除效率。因?yàn)楫?dāng)前的地表水以及地下水污染較為嚴(yán)重，水中存在的污染物嚴(yán)重超標(biāo)，含有大量的有機(jī)物等，當(dāng)前使用消毒殺菌是常用方法之一，一般都會(huì)借助液氯加以處理，但殘氯會(huì)與水中存在的有機(jī)物產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)消毒過(guò)后的副產(chǎn)物，例如致癌物質(zhì)以及致畸物質(zhì)等等。但借助ACF，因?yàn)槲⒖捉Y(jié)構(gòu)十分豐富，并且比表面積非常大，能夠?qū)λ写嬖诘挠泻ξ镔|(zhì)產(chǎn)生積極的吸附效果。目前可通過(guò)改性ACF處理好地表水源，去除THM潛在物的效率高達(dá)80%以上，去除TOC的效率也已經(jīng)超過(guò)了50%，在ACF吸附能力出現(xiàn)飽和之后，可以通過(guò)堿性物質(zhì)使其再生。

因?yàn)樯钏降牟粩嗵嵘?，?duì)日常飲用水提出的標(biāo)準(zhǔn)也更加嚴(yán)格，現(xiàn)在在凈水器當(dāng)中對(duì)于ACF的使用已經(jīng)非常普及，尤其是使用ACF，對(duì)于水中存在的微生物殺滅效果非常突出，可以將ACF表面繁殖的微生物進(jìn)行有效抑制，并且有滅菌以及吸附的雙重效果可達(dá)到98%以上，去除大腸桿菌效率為98%。相關(guān)研究中，也發(fā)現(xiàn)在ACF產(chǎn)生的殺滅細(xì)菌能力非常強(qiáng)，例如大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌，在得到相應(yīng)的處理之后，可完全消除水中存在的大腸桿菌等，與其他原料基的ACF效果相比，使用載銀磷酸活化ACF產(chǎn)生的效果會(huì)更突出一些，例如作用時(shí)間不長(zhǎng)，有非常高的抗菌效率和抗菌效果的用量也比較少。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，ACF的應(yīng)用，有時(shí)需要與其他一些技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，產(chǎn)生的效果會(huì)更加突出和理想，例如ACF結(jié)合臭氧氧化、生化處理技術(shù)等，可通過(guò)臭氧產(chǎn)生的氧化能力降解大分子污染物，這樣ACF便可以吸附分解之后的小分子有機(jī)物，最后通過(guò)ACF當(dāng)中的微生物，將污染物完全降解。當(dāng)前，ACF在我國(guó)的應(yīng)用，因?yàn)橛幸欢ǖ某杀締?wèn)題，所以還有些限制，但通過(guò)不斷的改進(jìn)探究，會(huì)有所發(fā)展和成熟，將生產(chǎn)成本降低，有益于大面積廣泛應(yīng)用。