活性炭在污水处理中的应用

刘宗亮++陈明功++张涛

摘要 活性炭是无定形的炭黑粉末或颗粒、块状、蜂窝，具有有序的晶体碳，具有极其丰富的孔隙结构和巨大的表面积。因其良好的吸附性和丰富的孔隙结构等特点，而被广泛应用于工业、医药、农业、环境等领域。综述了活性炭的特点、结构、表面化学性质和活性炭的改性，并总结了活性炭在废水处理中的应用。

关键词 活性炭；吸附性；污水处理技术；应用

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）22-0171-02

Abstract Activated carbon is amorphous carbon black powder or particles，showed block and honeycomb，with an orderly crystal carbon，extremely rich pore structure and huge surface area. Due to its good adsorption and rich pore structure，it has been widely used in industry，medicine，agriculture，environment and other fields.This paper summarized the characteristics，structure，surface chemical properties and modification of activated carbon，as well as the application of activated carbon in waste watertreatment.

Key words activated carbon；adsorption；waste water treatment technology；application

活性炭具有優越的吸附能力和巨大的孔隙结构，在多个自然科学领域中被广泛运用。近年来，随着国内环境的不断恶化，对水环境治理技术的不断深入研究也成为了人们关注的焦点，活性炭也因其自身所具备的优越特性，在水环境治理领域大显身手，逐渐被人们所熟知。它强大的吸附能力，能够将水体中的悬浮颗粒物、重金属、一些有毒有害物质有效地去除[1]。在污水净化领域中有重要的意义和广阔的应用前景。活性炭在多领域的大量使用，其本身所具备的特性已不能满足现代工艺的要求。因此，从经济和产业运行工艺角度出发，改变活性炭分子结构，优化原本的功能特性，使其在污水净化领域中发挥更大作用。

1 活性炭材料的改性

活性炭的成分除了主要的碳成分，还含有少量的氧和氢，由于不规则的六边形结构构成了活性炭多微孔体积和高表面积的特性[2]。活性炭的吸附作用主要取决于活性炭孔道结构的分布、比表面积的大小等，因此从这些角度出发，通过物理和化学方法改变活性炭材料分子结构，从而实现活性炭的改性，优化其结构性能。

1.1 活性炭表面物理结构的改性

活性炭的表面物理结构包括活性炭的比表面积、孔体积、结构和孔径分布，活性炭的吸附性则能受孔径大小和吸附表面积的限制，表面积越大，孔径与被吸附颗粒物相当，吸附效果越好。可以通过热收缩法、浸渍覆盖法气相热解等物理方法，提高活性炭的孔隙结构和表面积的比例、孔径大小及其活性炭材料的吸附表面结构，以达到改善活性炭材料的物理吸附性能的目的[3]。

1.2 活性炭表面化学性质的改性

活性炭分子结构中存在不饱和键，在活化过程中，氧与其他原子之间形成各种官能团，因而活性炭表现出多种吸附特性，如选择性、酸碱性、催化特性等。因此，从活性炭的分子结构出发，利用物理和化学方法改变活性炭表面的官能团结构，使其成为特定吸附过程中的活性点，从而可以控制其亲水/疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力[4-5]。表面化学性质的改性主要由两方面决定：一是制备方法，即活化工艺；二是后处理技术，即表面改性技术。化学方法包括氧化修饰、金属改性、酸碱改性及电化学改性。

2 活性炭材料在生活污水处理中的应用

水污染主要来源有两大方面，即工业废水和生活废水。生活废水除了包括人们日常生活中产生的废水外，还包括农业生产过程中所产生的废水，这主要集中在农村广大地区。活性炭作为一种重要的吸附剂在农业、医学、环境等多个领域被广泛应用，改性活性炭具有比较强的吸附作用和催化作用，可再生、环保、安全性高，在水环境治理方面已被广泛使用。

2.1 影响活性炭水处理的因素

2.1.1 活性炭的性质。因为活性炭的吸附作用主要在材料的表面和孔道内进行，比表面积越大，孔隙与吸附粒子的尺寸大小相当，吸附性能越好。通过对活性炭材料物理结构的改性对孔隙大小和比表面积的调整，使活性炭的微孔尺寸与吸附分子尺寸相当，实现活性炭吸附性能的最佳化。

2.1.2 吸附质的性质。一是溶解度。活性炭良好的吸附性可以将水中大部分的有机污染物、重金属、悬浮大颗吸附。溶解度越小，越易被吸附[6]。二是溶液pH值的影响。活性炭从水中吸附有机污染物质的效果，一般随溶液pH值的增加而降低，pH值高于9.0时，不易吸附，pH值越低时效果越好[6]。三是溶液温度的影响。吸附过程是污染物分子被吸附到固体表面的过程。温度高，分子运动加剧，不利于吸附作用。吸附过程是放热过程，所放出的热称为该污染物在此固体表面上的吸附热。吸附热越大，温度对吸附的影响越大[7]。而且，对一般物质而言，温度越高，溶解度越大，因此对吸附效果也有影响。除此之外，吸附操作条件、多组分吸附质共存等都会影响活性炭的吸附效果，在实际应用中，应多种因素综合考虑，设计最佳吸附条件，实现吸附效果的最优化。

2.2 活性炭材料在污水处理中的应用

活性炭作为现存比较理想的吸附剂，其独特的分子结构，较强的吸附性和催化功能，耐酸碱、耐高温、易再生、不会产生二次污染等优点，受到人们青睐。活性炭可有效地吸附水中的有机物、颜色、臭味、油、苯酚等，对水质浑浊有明显澄清作用。

活性炭吸附方式有固定床、移动床、流动床和接触式吸附，其中粉末活性炭的吸附方式只有接触吸附一种。粉末活性炭吸附水中杂质是一个极其复杂的过程，是几种作用力共同作用的结果，包括离子吸引力、范德华力等[8]。因为粉末活性炭具有投放简便、设备投资省、价格便宜等优点，在欧美等国家的污水处理中被广泛使用。近些年，随着环境的不断恶化，水污染问题日趋严重，水质净化对活性炭的需求量增大，我国对粉末活性炭的研究和应用也在不断加深认识，并取得了一定成果。在不断的实践中，颗粒活性炭的优点也日益凸显出来。颗粒活性炭过滤吸附床去除臭味的使用寿命为3年，而且具有良好的过滤性能，使滤出水浊度达到0.5度以下[9]。随着对活性炭净化技术的深入研究，一些新兴活性炭净化技术应运而生，将逐步被应用到实际工程中。对于生活污水的处理，BAC技术在处理污水中获得了较好的效果，备受青睐。特别是该方法结合了物理吸附和生物降解两者的优点，在去除非离子合成表面活性剂方面有良好的效果。研究表明，BAC使废水中的活性炭吸附和微生物对有机物的降解活性可达到活性炭的吸附为微生物提供充足的营养物质和生物对活性炭的再生提供可能的双重作用[10]。

活性炭在污水治理领域的大面积使用，使水环境的治理取得一定成果。然而同樣存在许多问题，在处理污水过程中，活性炭由于巨大的比表面积、良好的生物相容性和湿润的环境，为细菌、霉菌等微生物提供了良好的生存环境，微生物过量的生长繁殖造成水中细菌总数超标。微生物可以将水中氨氮转化为亚硝酸盐，其代谢产物会对已净化水体造成二次污染。因此，细菌、霉菌等微生物的滋生是活性炭在污水处理过程中的主要问题[11]。鉴于目前活性炭在工业、农业、环境等各个领域中的重要作用，其本身所存在的功能已不能满足在生产工艺中的要求。随着对活性炭材料的表面化学性质和表面化学结构的改性方法的深入探究，未来的活性炭材料应向着高效、智能、简便的方向发展。

3 参考文献

[1] 彭怡，古昌红，傅敏.活性炭改性的研究进展[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2007（6）：577-580.

[2] 陈玉芳.活性炭在净水处理中的应用[J].黑龙江科技信息，2008（6）：53.

[3] ANIA C O，CABAL B，PEVIDA C，et al.Effects of activated carbon properties on the adsorption of naphthalene from aqueous solutions[J].Applied Surface Science，2007，253：5741-5746.

[4] BHATNAGAR A，HOGLAND W，MARQUES M，et al.An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applic-ations[J].Chemical Engineering Journal，2013，219：499-511.

[5] ZHAO Ying，WANG Ziqiang，ZHAO Xin，et al.Antibacterial action of silver-doped activated carbon prepared by vacuum impregnation[J].Applied Surface Science，2013，266：67-72.

[6] 马青兰，王增长，李敏敏，等.活性炭净化废水处理研究[J].新型炭材料，2002（1）：59-61.

[7] 金博君.活性炭在净水处理中的应用[J].黑龙江科技信息，2012（14）：44.

[8] 王焕英.活性炭净化技术在生活污水处理中的应用[J].绿色科技，2012（3）：170-171.

[9] 贾长娟，李洪升，张伟.浅谈活性炭在水质净化中的作用[J].黑龙江纺织，2002（1）：22-23.

[10] 商静宇.生物活性炭技术在水处理中的应用研究[J].能源与环境，2009（5）：50-52.

[11] 宫铭.活性炭在污水净化领域应用的研究进展[J].材料导报，2015（增刊2）：433-436.