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構和表面化學性質影響。未改性活性炭主要通過物理吸附對水中氨氮進行去除，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?；钚蕴扛男酝緩街饕袃煞N：一是對原材料進行改性后制備活性炭，二是直接對成品活性炭進行改性。

【關鍵詞】活性炭；改性；氨氮；吸附

引言

水體中的氮具有很大危害，它可以導致水體酸化、造成水體富營養化、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重要。而近年來，我國生活污水和化工、冶金等工業廢水中氨氮的含量上升，亟待經濟高效的處理方法進行解決。

對高濃度氨氮廢水進行處理一般采用吹脫法、化學沉淀法、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生物法、折點氯化法、膜分離法和吸附法等。而高濃度氨氮廢水需經過初步處理轉換為較低濃度，再對低濃度氨氮廢水進行后續處理。故低濃度氨氮廢水的處理成為關鍵。

活性炭吸附法在處理低濃度氨氮中應用比較廣泛，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的因素有二：一是活性炭的基本結構?；钚蕴繉儆谖⒕翁浚c石墨結構相似，但完整性較差，因此產生孔隙；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]。孔隙的形狀和分布情況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性質?；钚蕴康幕瘜W組成主要包括炭素、化學結合的元素和灰分。當炭素的基本微晶結構規則時，由范德華力起作用，表現為物理吸附。不規則時有兩種情況，如果因為雜原子的存在，則形成官能團，“修飾”炭表面而改變其吸附特性；如果因為其微晶中存在不完全的石墨層，則改變炭素骨架上的電子云，產生不飽和原子價，從而影響其對極性物質的吸附?；瘜W結合的元素以氫、氧為主，羥基、羧基等官能團的存在增強了其吸附性能，但未改性的活性炭官能團種類和數量相對較少。

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。于群等于海洋環境與生態教育部重點實驗室通過燒杯試驗以粉末活性炭和膨潤土對人工配水模擬受污染河水進行吸附，研究發現：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。這是因為膨潤土的主要成分為蒙脫石，除了具有很大的內比表面積，還有較強的離子交換性。田琳等通過燒杯試驗以顆?；钚蕴亢吞烊环惺瘜θ斯づ渌M氨氮廢水進行吸附，發現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。因為沸石不僅具有巨大的比表面積和強烈的靜電吸引力，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、負載改性、等離子體改性、加熱改性、超低溫預處理+迅速升溫、納米銀離子負載處理等。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載改性，酸改性主要是使活性炭表面產生大量新的微孔并將已有的微孔轉化為中孔，且增加活性炭表面酸性官能團的種類和數量，由酸性官能團與氨分子的化學作用促進活性炭對氨氮的吸附能力。酸改性既可以應用于制備活性炭的原材料，又可以應用于成品活性炭；負載改性是在活性炭表面增加可與銨根離子或氨分子反應的原子或化合物，從而改善活性炭對氨氮的吸附性能。負載改性一般應用于成品活性炭。

2.1活性炭制備的原材料改性

制備活性炭需對原材料進行炭化和活化，炭化通常是在氮氣氛圍中加熱升溫，使原材料中可揮發的非碳組分被排出并形成亂層類的石墨結構；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物生成大量的孔隙結構和巨大的比表面積及不同的官能團。

劉雪梅等通過燒杯試驗，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行吸附，研究發現：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10.06 mg/g。因為碳酸鉀與活性炭發生反應，從而對活性炭產生刻蝕作用，形成大量微孔，并且高溫活化使活性炭內部的大量官能團暴露出來，其中包含能夠與銨根或氨分子發生反應的官能團，進而增強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行改性后制備活性炭，通過燒杯試驗對模擬制革廢水中氨氮進行吸附，研究發現：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73%，通過計算得出吸附量為12.17mg/g。因為采用磷酸改性的花生殼所制備的活性炭不僅表面微孔數量大大增加，還形成新的酸性官能團如羧基，羧基類基團中所包含的酸酐與氨分子進行化學反應，從而增強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，并促進其微孔的形成或產生新的官能團，從而增強其吸附能力。

王芳于濱州市材料化學重點實驗室用分別經硝酸鐵、硝酸鋅和硝酸銅溶液改性的活性炭對氯化銨模擬溶液進行吸附試驗，研究發現：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8.6mg/g。因為活性炭對氨氮的吸附主要依靠物理吸附，而負載的銅達到一定量時，恰好不堵塞活性炭內部孔隙，并與氨分子進行化學反應，在物理吸附的基礎上增加了化學吸附，因此活性炭對水中氨氮的吸附性能有所提高。

3、結語

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??；而經過對原料改性制備活性炭或直接對成品活性炭進行改性，均增強其對水中氨氮的吸附性能，原因是經過改性，一方面因為增加了活性炭的微孔和中孔數量，使其比表面積增大，另一方面則是引入了新的官能團，尤其是羧基、羥基等酸性官能團，加強了化學吸附。

參考文獻：

[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踐研究[J].湖南有色金屬，2016，32（03）：65-68.