活性炭在化學生產工藝中的應用

朱永太，李玉平，張志雨，仇榮春

（鹽城普魯泰克炭素有限公司，江蘇鹽城 224300）

褐煤加工過程極易產生成分復雜、高色度且具有極大毒性的廢水，主要采用預處理-好氧生物處理技術進行褐煤提質廢水，然而該工藝仍舊殘留有少量難降解的有機物，為此要引入孔隙結構相對活躍、比表面積較大的活性炭，利用其較強的吸附能力吸附溶解水中的有機物，進行褐煤加工廢水的深度處理，提高工業廢水深度處理和回用效果。

1 活性炭吸附及芬頓高級氧化技術在廢水深度處理中的應用

活性炭的吸附作用主要是一種或多種溶質選擇性地由液體/氣體向顆粒團聚物的方向遷移，利用溶質與吸附劑之間性質不同的結合力實現物理/化學吸附，可以較好地應用于廢水深度處理工藝之中，吸附溶解水中的污染物，如：無機污染物、有機污染物、重金屬離子等，降低廢水中COD 的濃度、色度和濁度。

芬頓高級氧化技術是采用二價鐵與過氧化氫（芬頓試劑）處理工業廢水，利用芬頓試劑的強氧化特性改變有機分子的結構，催化反應生成強氧化性官能團，有效處理廢水中有毒且較難處理的有機物。要注意的是，盡管芬頓氧化法能夠有效去除水中有機物，然而芬頓反應要在酸性環境下進行，對pH 值的要求較高，并在反應之后還要進一步去除出水中濃度較高的鐵離子，適用于污染物濃度低、污染水質少的情形。

2 實驗方案及指標測定分析

2.1 實驗指標的測定

在準備實驗儀器和藥品之后，要進行實驗指標的測定，主要包括有：①COD 濃度的測定。將10mL 重鉻酸鉀標準溶液置于500mL 錐形瓶中，添加100mL 蒸餾水和30mL 濃硫酸，混勻冷卻之后添加三滴試亞鐵靈指示劑，以硫酸亞鐵銨溶液滴定，直至溶液由黃色變為藍綠色最后成為紅褐色為止。②色度的測定。取不同容量的500°鉻鈷標準溶液置于50mL 比色管中，稀釋混勻，采用石英比色皿測定吸光度。③氨氮的測定。采用納氏試劑光度法測定游離態或銨離子等形式存在的氨氮。

2.2 活性炭實驗方案

①活性炭投加量的影響。對10 個500mL 裝有200mL 原水的燒杯投加活性炭，分別為2g、4g、6g、8g、10g、12g、14g、16g、18g、20g，再用六聯攪拌器以400r/min 的轉速攪拌1h，離心并測量水中的COD、色度和氨氮。②pH 值的影響。以H2SO4和NaOH 調節水樣的pH 值，使之分別為1、3、5、7、9、11，投加適宜的活性炭，攪拌1h 再離心測量水體的COD、色度和氨氮。③反應時間的影響。以H2SO4和NaOH 調節水樣的pH 值，投加適宜的活性炭，分別攪拌5min、15min、30min、45min、60min、80min、110min、140min，再離心測量水體的COD、色度和氨氮。

2.3 芬頓-活性炭實驗方案

采用芬頓-活性炭實驗，將400mL 原水分別添入10 個燒杯中，以H2SO4調節pH 值為3，并投加24.94mmol/L 的H2O2、31mmol/L 的FeSO4，進行反應，實驗結束后以NaOH調節pH 值為8，再將燒杯靜置沉淀，1h 后取上清液。同時，采用GC/MS 法對褐煤提質廢水進行常規水質分析：COD 為160～230mg/L、NH4+-N 為80～90mg/L、pH 為8.4～8.6、色度為400～450倍，相關數據顯示褐煤提質廢水遠超出污水綜合排放一級標準[1]。

3 活性炭性能及其吸附行為分析

3.1 活性炭性能

要預先進行活性炭的預處理，以去離子水清洗活性炭，在烘箱中烘干再置于棕色瓶中，分析活性炭相關吸附指標可知：孔徑為1～1.5nm 的活性炭主要吸附中小型分子；孔徑為1.5～1.8nm 的活性炭主要吸附微孔和中小孔的污染物；孔徑為0.7nm 的活性炭主要吸附中型的分子。

3.2 活性炭靜態吸附影響因素分析

在進行活性炭靜態吸附實驗之中，不同因素對其結果有一定的影響：①活性炭投加量對污染物去除率的影響。粒徑為20～30目的活性炭在投加量為20g 的情況下COD 的去除率為97%；6～8目活性炭的投加量為12g 時的COD 去除率為81%；10～20目活性炭的投加量為14g 時的COD 去除率為76.5%，綜合考慮去除效果和經濟性等角度，本文選擇6～8目的12g 活性炭作為處理褐煤提質廢水的適宜用量。②不同pH 對污染物去除率的影響。活性炭的最佳吸附pH 值為5，能夠極其明顯地在酸性環境下去除污染有機物。同時，6～8目的活性炭在pH值為5時的最高色度去除率為88%，10～20目的活性炭在pH值為5時的最高色度去除率為87.5%，20～30目的活性炭在pH值為3時的最高色度去除率為87.5%。綜上可知，當pH 值為5時，活性炭能夠最大程度上去除廢水中的COD、色度；而當pH值為7時，活性炭對廢水中氨氮的去除率達到最高值。③吸附時間對污染物的去除影響。6～8目的活性炭在0～30min 時的色度去除度明顯增加，在30min～80min 時的色度去除度緩慢增加，之后進入吸附平衡狀態，吸附量保持不變[2]。

4 芬頓-活性炭對褐煤提質廢水深度處理分析

原有的活性炭吸附褐煤提質廢水污染物的方法仍舊無法達到水質排放標準，為此可以采用芬頓試劑，對褐煤提質廢水進行氧化預處理，再以活性炭進行吸附，實現對褐煤提質廢水的深度處理和回用。

4.1 芬頓試劑對褐煤提質廢水深度處理效果分析

芬頓試劑主要是利用羥基自由基的超強氧化性能，對難以降解的物質進行深度氧化，各因素對實驗處理效果的影響具體表現為：①n（H2O2）:n(Fe2+）對處理效果的影響。當n（H2O2）:n(Fe2+）為3時，芬頓試劑深度處理褐煤提質廢水的效果最佳，COD 和色度的去除率達到峰值。②初始pH 值對處理效果的影響。由于過酸環境會阻止Fe3+的還原生成，無法高效氧化去除污染物；而堿性較強的環境又會影響OH-的生成，降低有機物的氧化效果。為此，要將pH 值設置為3，才能滿足芬頓反應的高效進行。③芬頓試劑投加量對處理效果的影響。綜合考慮應用效果和經濟性條件，選擇1.0倍作為最佳投藥量，將H2O2的投加量設定為24.94mmol/L，FeSO4的投加量設定為8.31mmol/L，能夠較好地提高反應效果。④反應時間對處理效果的影響。當H2O2投加量為24.94mmol/L、FeSO4投加量為8.31mmol/L 時，當反應時間延長時,出水COD、色度去除率相應增大，1h 之后的去除率則相對趨緩，由此可以選擇1h 作為反應最佳時間。

4.2 芬頓-活性炭對褐煤提質廢水深度處理實驗

①活性炭投加量的影響。在芬頓-活性炭系統之中，進行芬頓氧化預處理之后，對廢水中的COD 和色度去除率有所提高，選取10～20目活性炭投加量為4g 時，COD 值為58.46，去除率可達66.37%；當10～20目活性炭投加量為8g 時，色度值為58倍，去除率可達86.37%。但對氨氮的去除效果并不明顯。②不同pH 的影響。芬頓-活性炭系統中的pH 值調節為5時能夠使COD 去除率達到最大值90.53%，然而綜合COD 去除效果和經濟性因素，選取pH 值調節為3時為宜。③吸附時間的影響。芬頓-活性炭系統中的6～8 目、10～20 目和20～30目活性炭在80min 后趨于穩定，分別穩定在85.42%、87.81%、98.57%。

4.3 活性炭重復使用分析

可以將活性炭作為催化劑進行重復使用，以6～8目的活性炭為例，在反應初期能夠有效實現對污染物的吸附，而隨著反應時間的延長，對COD 的吸附去除率逐漸下降[3]。

5 小結

綜上所述，芬頓試劑較好地應用于褐煤提質廢水的處理工藝之中，可以采用芬頓-活性炭系統進行工業廢水的深度處理和回用，通過相關實驗考察和分析活性炭投加量、pH 值、吸附時間對活性炭處理效果的影響，選取適宜的活性炭粒徑和用量，達到顯著的污染物去除效果。后續還要選取更多的污染物指標，深入探討活性炭孔徑結構及表面性質對廢水的吸附效果的影響，更加科學合理地提高工業廢水的深度處理和回用效率。