煤基活性炭在环保领域的应用发展综述

邱敬贤，刘君，彭芬，吴志恒，何淼

（1.长沙凯天工研院环保服务有限公司，长沙 410100；2.航天凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100；3.长沙环保（服务）工业技术研究院，长沙 410100）

随着生态文明建设的进行，国家出台了严格的法律法规和政策标准，要求加大对环境污染的治理力度。而在环境治理过程中，活性炭由于其孔隙结构发达、比表面积大，已被广泛应用于多个环保领域，如利用活性炭进行水体净化、污水治理、烟气脱硫脱硝、VOCs治理、H2S去除等。

活性炭是一种具有发达孔隙结构和巨大比表面积的黑色炭质多孔材料，其有吸附性能优异、化学稳定性良好、耐酸碱等优点。理论上所有含碳元素的物质都可以用于制备活性炭，但由于原料供应及所制备活性炭产品品质等原因，目前能用于工业化、商业化生产活性炭的原料主要有煤炭、木材、果壳（椰壳、杏核）及少量的石油焦，其他含碳材料（如化工及生活废弃物制备活性炭）多见于试验研究及特殊用途。与木材、果壳和石油焦等原材料制备的活性炭相比，煤是廉价且来源稳定的活性炭生产原料，以煤为原料生产的活性炭兼具易再生、抗磨损等优点。另外，煤基活性炭中含有其他种类活性炭所不具备的各种金属离子，可以利用其中的活性组分作为催化剂，极大地提高污染物的净化速率，降低活性炭的使用量，具有较大的市场价值。因此，煤基活性炭的研究具有良好的市场前景和指导意义，有利于工程实践应用。

1 煤基活性炭的制备

1.1 煤基活性炭的制备流程

煤基活性炭主要是由煤炭经过破碎、筛分、成型、炭化、活化等几个工序后所制备的。其中破碎、筛分是预处理阶段，主要是筛选出所需粒径的煤炭粉末，为后续的煤粉成型做准备。成型时需加入添加剂或黏结剂，促进煤粉的成型。根据成型结构的差异，煤基活性炭又分为煤基粉末活性炭、煤基颗粒活性炭、煤基柱状活性炭、煤基球形活性炭及煤基蜂窝活性炭等多个种类。炭化严格意义上应是在隔绝空气的条件下进行，是活性炭制备过程中主要的热处理工序之一。炭化过程中成型煤炭经热分解后，其中的低温易导致含氧官能团脱落和氢键断裂，以气体形式逸出。

1.2 煤基活性炭的活化方法

活化是指赋予炭颗粒活性，使炭形成多孔的、具有发达表比面积的微晶结构的过程，是活性炭制备过程中的核心工段。

活化是活性炭制备过程中最重要的工序，起着调节活性炭结构的作用，决定着活性炭的性能好坏。活化根据所用活化药剂和活化原理的不同，可分为物理活化、化学活化和物理化学活化等。

物理活化是指在活化过程中通入气体活化剂如二氧化碳、水蒸气、空气等对炭化料进行活化以达到活化造孔的目的，具有工艺简单、无污染等优点[1]。物理活化法制备的活性炭具有微孔发达，比表面积大的特点，多用于气体物质的吸附。

化学活化是指在活性炭制备过程中，利用化学试剂的活化作用对活性炭的孔结构进行调节的过程，具有活化时间短、产率高等优点[2]，其所制备的活性炭以中孔结构为主，多用于液相研究。目前所用的化学活化剂主要为磷酸、氢氧化钠、氯化锌等。另外在采用化学活化法制备活性炭的过程中，可以通过联用微波或超声波等技术进一步缩短活化时间，提高活化效率和活性炭产率。同时化学活化法中所采用的化学试剂，如含碱金属和过渡金属的试剂等，不仅可以作为活化试剂使用，还可以起到催化剂作用，能够降低活化温度，提高反应速率，使产品性能进一步提高。

物理化学活化是指将物理活化和化学活化结合起来所形成的方法，兼具两者的优点，已广泛应用于煤基活性炭的制备中。采用物理化学活化法制备活性炭，一般先进行化学活化，然后进行物理活化。

2 煤基活性炭在环保领域的应用进展

活性炭由于具有孔隙发达、比表面积大、价格低廉等特点，其具有优异的吸附性能，已被应用在如污水处理、水质净化、VOCs治理、脱硫脱硝等环保领域[3]，尤其是随着环保督察力度的加强，活性炭的应用越来越广范。

2.1 煤基活性炭在水处理中的应用

活性炭在水处理中的应用是近年来活性炭应用增长最快的领域，约占活性炭总用量的60%，并且煤基活性炭是其中用量最大的活性炭品种，主要用于市政自来水净化、生活污水处理、工业废水处理等领域。

2.1.1 在市政自来水净化中的应用

目前，煤基活性炭在自来水净化方面的应用主要为前期的原水预处理和后期的深度处理[4]，其中在预处理中多选用粉末状活性炭，在吸附去除污染物的同时，对原水进行脱色、除臭和去除悬浮物。而在深度处理中大部分采用颗粒状活性炭进行过滤吸附，少部分投加粉末活性炭，主要原因是相较于粉末活性炭，颗粒状活性炭具有易再生性和耐冲击负荷强等优点。粉末活性炭具有价格低廉、投加方便、操作简单等优点。因此，需综合考虑各种情况进行活性炭的选用。

随着净化时间的增加，煤基活性炭在水质净化过程中会逐渐出现性能下降的现象，因此为延长煤基活性炭的使用寿命，降低成本，常将活性炭与其他技术进行联用，如臭氧+生物活性炭组合工艺。与单独的活性炭吸附相比，该组合工艺集臭氧氧化、活性炭吸附、杀菌消毒和微生物氧化作用为一体，具有去除效率高，出水水质好，活性炭不易堵塞、使用寿命长以及可同时进行脱色除臭杀菌消毒等优点，目前已被广泛应用于我国的大部分自来水厂。

除了自来水厂的供水外，近年来人们为了满足对洁净水质的需求，大多选用净水器对水质进行净化。而活性炭以其吸附能力强、适应性强以及使用寿命长等优点，已被广泛应用于净水器中，如活性炭净水器，就是利用活性炭为主要过滤材料，安装在自来水管道上从而获取安全饮用水的装置。另外还可作为净水器滤芯使用[5]。

2.1.2 在生活污水处理中的应用

煤基活性炭在生活污水处理中的应用主要集中于深度处理、提标改造和应急处理等。与自来水的深度净化不同的是，煤基活性炭在生活污水的处理中多用于活性炭吸附塔、活性炭滤池、碳滤罐等工艺和设备，且多为颗粒状活性炭，主要用于进一步去除水中有机物、胶体粒子、微生物、余氯、嗅味等，使出水达到相关标准。陈浩传等[6]采用生物活性炭对小区模拟生活污水进行处理，结果发现，生物活性炭对生活污水的处理效果良好，出水水质达到了《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）中的排放标准，该结果为活性炭的深度处理提供了参考。

煤基活性炭还可以用于生活污水的应急处理。在生活污水的应急处理中，活性炭应在沉淀池前进行投放，且多采用粉末活性炭进行干投[7]，使其与污染物充分接触吸附，净化效果良好，并且吸附饱和后的活性炭可依靠重力沉降的方式去除。张旭东等[8]采用活性炭吸附技术对天津滨海新区自来水中因土臭素导致的嗅味问题进行应急处理，并根据取水地点的远近，建议在取水口附近和/或水厂进水口投加活性炭。经投加粉末活性炭处理后，出厂水基本无异味，用户较满意。

2.1.3 在工业废水处理中的应用

工业废水一般具有成分复杂、可生化性差、危害大等特点，对环境的威胁很大，很多常规的处理方法很难实现达标排放。因此往往利用活性炭的高吸附性进行吸附处理。除了吸附去除有机物以外，还可以除臭、脱色及去除重金属离子。

（1）煤基活性炭处理染料废水

我国是染料生产大国，每年都会有大量的染料废水排放，造成环境污染。在染料废水的众多处理方法中，吸附技术因其操作简单、吸附剂来源广泛而备受关注，而在众多的吸附剂中，活性炭是最有效的处理材料之一。丁赛赛等[9]利用氢氧化钾活化剂制备的煤基活性炭处理甲基橙废水，并研究了煤基活性炭制备过程中不同活化温度、活化时间等因素对吸附性能的影响。结果表明，制备的煤基活性炭对甲基橙废水的去除效果良好，且在900℃活化温度下活化1h制备的煤基活性炭对甲基橙的去除效率可达到89.6%。除了制成粉末活性炭进行投加处理以外，研究人员还对球状活性炭处理染料废水进行了研究。赵晶等[10]以煤炭为原料，采用模板活化和化学活化相结合的方法制备了碳纳米球吸附剂，用于处理DB38染料废水。结果表明，该煤基活性炭材料因含有大量的介孔，表现出对DB38染料废水良好的吸附效果，在实际应用中具有很大的市场前景。

（2）煤基活性炭处理有机废水

有机废水大多含有毒性且难以生物降解，进入到水体中会破坏生态平衡，影响人体健康和水生动植物生长，甚至会致畸变等。因此有机废水的处理是必须严肃对待且迫在眉睫的环境问题。宋云飞等[11]以四氯化碳和苯为污染物，研究了酸、碱改性前后煤基活性炭对有机物的去除效果。结果表明，酸、碱改性的活性炭对四氯化碳的吸附能力有所提高，但对苯的吸附性能没有明显改善。葛欣宇[12]采用微波辅助改性的煤基活性炭吸附去除多环芳烃。结果发现，改性后的煤基活性炭孔隙更加发达，比表面积增加，对萘、菲、芘的吸附量随苯环的增加而增加，表明了微波辅助改性是一种有效的改性技术，具有广阔的市场前景和应用价值。张霞等[13]采用改性煤基活性炭对硝基苯酚进行吸附试验，实验结果表明，经硫酸和重铬酸钾联合改性后的煤基活性炭对硝基苯酚的吸附效果最好。可见，采用不同的方法对煤基活性炭进行改性，得到的煤基活性炭的孔隙结构和官能团不同，可以针对不同的用途，进行相应的表面改性以提高其吸附性能。

（3）煤基活性炭处理重金属废水

重金属在水中基本不能被生物降解，且会随着时间推移不断在食物链中富集，最终通过直接或间接的方式进入人体，对人体造成毒害。因此，去除废水中的重金属具有重大的现实意义。目前已有较多关于煤基活性炭处理重金属废水的研究。马新芳[14]以无烟煤为原料，采用微波辅助KOH活化的方式制备煤基活性炭，用于Hg离子的吸附去除研究，并考察了初始浓度、活性炭用量、温度和pH等因素对去除效果的影响。结果发现，煤基活性炭能够有效去除Hg，并且在常温下，当活性炭投加量为0.05g时，对pH8～10的100mg/L浓度Hg的最大吸附量为53.4mg/g，同时该吸附曲线符合Langmuir等温吸附模型。段昕辉[15]利用废煤基活性炭再生后载铁制备的活性炭复合材料吸附去除水中的As，对As的饱和吸附量达到1.91mg/g，显著提高了再生活性炭的饱和吸附量，实现了固废资源的再利用，为废煤基活性炭的再生和利用提供了一种有效的手段。

（4）煤基活性炭处理其他工业废水

研究人员除了对煤基活性炭处理工业废水有所研究外，还对其吸附处理含油废水、垃圾渗滤液和放射性废水进行了相关研究。李伟光等[16]对固定化生物活性炭处理含油废水进行了相关研究，并将其与颗粒活性炭和传统气浮工艺的处理效果进行对比，发现前者的处理效果明显高于后两者，对油的去除效率可达到80%～95%，且出水稳定，可将其用于石油泄漏的应急处理。用活性炭处理含油废水虽然具有处理效果好，出水水质稳定等特点，但其吸附容量有限，且再生困难，常用于低浓度含油废水的处理。唐杰等[17]利用活性炭对垃圾渗滤液进行了深度处理，发现加入活性炭后能够明显提高渗滤液中COD、NH3-N和重金属等污染物的去除效果，并达到一个较为理想的效果。左天明等[18]对活性炭吸附处理含铀放射性废水进行了研究，发现活性炭具有良好的除铀效果，去除率高达96%，比较适合用于浓度高、水量小的实验室含铀废水的处理。

2.2 煤基活性炭在大气处理中的应用

因煤基活性炭具有优异的吸附性能，且来源广泛，价格低廉，除了应用于水处理外，在大气处理领域也有很多应用，如VOCs治理、烟气脱硫脱硝、焚烧烟气二英的去除、H2S去除、室内空气净化等，并取得了良好的效果，这也是煤基活性炭未来的发展趋势之一。

2.2.1 在VOCs治理中的应用

现有的VOCs治理技术主要包括销毁技术和回收技术。而活性炭由于具有吸附量大，净化效率高，设备简单，投资运行费用低等优点而得到广泛应用[19]。据统计，活性炭治理技术占VOCs治理工程案例的25%左右，常用于低浓度、大风量的有机废气治理。其中煤基活性炭是VOCs治理中应用最广泛的活性炭种类。目前市场上常将活性炭与其他技术联用处理VOCs，如催化燃烧技术、光催化技术、RTO技术、低温等离子体技术等，其中催化燃烧技术与活性炭联用是应用最多的，主要是由于处理效果稳定彻底，净化效果好且成本相对较低。活性炭使用过程中要及时脱附和更换，防止活性炭在短时间内被击穿，导致整个净化体系的失效。脱附温度一般在80℃～100℃，以免引起活性炭床层起火，其中煤基活性炭相较于普通活性炭耐温性有所提高。更换后的活性炭需交给有相关资质的企业作危险废物处置。

2.2.2 在烟气脱硫脱硝中的应用

烟气脱硫脱硝技术是燃煤电厂烟气净化的主流技术，由于活性炭可协同脱除烟气中的多种污染物，已成为近年来的研究热点。目前国内用于脱硫脱硝的活性炭都是以煤为原料生产，且在国内已有多条脱硫脱硝煤基活性炭生产线投产并销售国外。随着近年来国家对大气排放要求的日益严格及烟气净化装置的投入使用，烟气净化用活性炭产量呈现井喷状态，越来越多的企业选择了活性炭脱硫脱硝工艺。刘子红[20]对改性活性炭纤维脱除燃煤烟气中的多种污染物进行了研究，并对其去除机制进行了探讨。结果发现，活性炭纤维可以高效脱除燃煤烟气污染物，其对SO2、NO、VOCs的去除效果分别可达到95%、80%、54%以上，主要是由于材料表面的含氧官能团可以将O2等强氧化性组分分解，释放出氧化性极强的O2-，促进烟气中污染物的降解。

2.2.4 在硫化氢去除中的应用

H2S主要来源于天然气、垃圾处理站、污水处理厂、造纸厂、石油冶炼厂等生产或处理过程，是一种具有臭鸡蛋味的气体，能够从呼吸系统侵入人体，致人中毒，使人眼睛刺痛流泪、呕吐，甚至发生昏迷。因此H2S气体的去除具有重要意义。在众多处理方法中，活性炭吸附法由于工艺简单、效率高、操作方便等优点而备受青睐，同时活性炭还可作为催化剂使用，将H2S转化为单质硫进行去除。何凤友等[23]对生物化学炭去除H2S废气进行了研究。结果表明，生物活性炭对H2S的去除效果稳定，去除率稳定在98%以上。常化振[24]采用活性炭吸附催化氧化技术进行实验室模拟H2S气体的去除实验。结果表明：不同形式和来源的活性炭脱除H2S的效果不同，颗粒尺寸越小吸附H2S性能越好，其中CuCl2改性的活性炭去除H2S过程中有单质硫生成，可能是活性炭表面的活性位点铜催化活化氧使H2S被氧化，当微孔被硫单质阻塞后停止反应。

2.2.5 在室内空气净化中的应用

近年来，由室内有害气体引起的健康问题引起了人们的广泛关注。因此室内空气净化具有重大意义，主要包括室内空气的脱臭、脱异味、除甲醛等。而活性炭因其丰富的孔径结构，较高的比表面积而在室内空气净化中得到了广泛应用，如制备环保口罩、汽车室内空气净化器、作甲醛吸附剂等。高丁丁等[25]采用改性活性炭纤维协同等离子体去除甲醛。结果发现，活性炭纤维协同等离子体对甲醛的去除率可达96%，可能是由于改性后活性炭纤维微晶受到刻蚀，层间距减小，表面出现纵横交错的微裂缝，使得对甲醛的去除能力增强。

3 煤基活性炭的再生

煤基活性炭在使用一段时间后，会由于吸附污染物，造成孔隙堵塞，导致其吸附性能下降，因此，需要对其进行再生处理，以达到重复使用的目的，降低成本，同时保证处理效果。目前常用的活性炭再生方法主要有热再生法、生物再生法、（催化）湿式氧化再生法、电化学再生法、微波再生法等。

热再生法是工业上应用最多、最成熟的活性炭再生方法，主要是利用高温将活性炭吸附的污染物进行脱附和炭化去除，从而恢复其吸附性能。整个过程一般分为干燥、高温炭化及活化三个阶段，其中活化阶段是整个再生工艺的关键。该法具有再生效率高、应用范围广的优点，但也存在须外加能源加热、投资及运行费用较高等缺点。

生物再生法是利用驯化培养的菌种对活性炭上吸附的污染物进行降解，以实现活性炭再生的一种方法。具有操作简单方便、投资和运行费用低等优点，但也有再生时间长、再生效率低，易受外界温度和水质影响等不足。

湿式氧化再生法是在高温高压条件下，用O2或空气将液相中活性炭上吸附的有机物氧化分解为小分子的一种处理方法。该法存在再生效率不高、能耗大、对设备要求高等缺点。因此，人们考虑引入高效催化剂，从而降低反应温度，节约能耗。

电化学再生法是将活性炭置于两个电极之间，在外加电场的作用下将吸附在活性炭上的污染物进行氧化还原分解的方法。该方法操作方便且效率高，可以避免对环境的二次污染，比较适合于小规模的活性炭再生。

微波再生法是一种利用微波进行加热，从而使活性炭吸附的污染物脱附的一种再生技术。具有再生效率高、再生时间短等优点，但也存在微波穿透力不足的缺点，所以尚未应用于工程项目。

4 展望

煤基活性炭由于具有比表面积大、孔隙结构发达、吸附性能优异、原料廉价、耐酸碱等优点而被广泛应用于水处理和气体净化等环境保护领域，其应用规模不断增加，具有良好的应用前景。然而我国煤基活性炭虽然产量较高，但其生产技术、产品质量与日美等国家相比仍有较大差距，所以需要加强国外先进技术的引进，优化反应工艺，实现生产的自动化和规模化，同时应加强专用活性炭的生产制造，增加活性炭种类，提高产品价值，增强市场竞争力，扩大市场应用范围。另外还需对活性炭的再生技术和废炭的处理技术进行研究，降低使用成本，减小对环境的危害，从而使得煤基活性炭的应用范围越来越广，市场前景越来越大。