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、有機無機物體，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。活性炭又稱為活性炭黑。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，可以達到2000m2/g 以上，因此具有很強的吸附性能，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

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，強性的活性炭表面面積可高達3600m2/g。活性炭的主要成分為碳，在活性炭中含96%。由此，碳可以與氧氣、氮氣、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行吸附清潔[1]。因為每個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行交互作用，從而進行元素的轉(zhuǎn)移、共享、吸附。

2 活性炭的吸附機理

在活性炭的制備過程中，揮發(fā)性有機物被去除，形成許多不同形狀的孔。孔隙率占活性炭總體積的50%以上，其活性炭表面含有的活物可達1500m2，但90%活性會大于多孔結(jié)構(gòu)的面積，從而進行吸附[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)動分解、濃質(zhì)、濃劑之間的相互運用，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、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，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。活性炭身上有很多的化學(xué)、物理性質(zhì)，可以有效地去除重金屬離子，對其進行吸附。且在重金屬離子中六價鉻的金屬最多，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)價鐵、其他正價金屬會發(fā)生交互作用，尤其是六價鉻，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)用于吸附水中有機物

活性炭對水中有機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)法難以去除的有機污染物、除草劑、殺蟲劑、農(nóng)藥等異味；亞甲基藍表面活性劑、合成染料、含有胺類、合成洗滌劑及多元化合成的有機物同時也具備吸附能力，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)、異味進行吸附清潔。但粉末狀態(tài)的活性炭只適用于有機物、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，需添加適量的懸浮液進行處理，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間。對此，加藥點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，顆粒活性炭主要采用吸附柱或吸附塔的形式。當(dāng)吸附飽和時，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)量無法達到標(biāo)準(zhǔn)。但在我國水資源干枯地帶，要考慮污水回用，進一步提高排放水質(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，達到回用標(biāo)準(zhǔn)。活性炭吸附二級處理水采用單塔靜態(tài)運行、多塔串聯(lián)運行，從而達到回用標(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。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)先將水中的油進行吸附，從而進行溶解作用。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物進行深層吸附、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，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 活性炭對有機汞的吸附量高于無機汞。當(dāng)活性炭對汞的吸附值降低時，汞的去除率也隨之提高。報道了用二硫化碳溶液對活性炭進行預(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)進行更替，從而成為處理水行業(yè)的領(lǐng)頭羊。