吸附法处理有机废水新应用

王艺洁

（兰州交通大学博文学院，甘肃兰州 730101）

随着我国工业水平和科技水平的不断发展，环境污染问题成为不容忽视的发展性问题。工业领域的进步绕不开资源的消耗和废弃物的排放，国内外工业生产都还做不到真正的零排放，产生废水、废气、固体废弃物十分普遍，能够做到减量化已经殊为不易。随着我国治理三废的工作不断推进，工业企业治理废水、废气、固体废弃物的成本越来越高，优化工艺、设备已经成为行业内的重要课题。吸附法是有机废水处理领域中的传统工艺，利用的是吸附材料本身的吸附性，多借助活性炭、大孔树脂、活性白土、硅藻土等材料。由于吸附材料的可再生性较差，因此，吸附法的使用费用也比较高，通常被用于难降解有机废水处理。

1 吸附法概述

吸附法是利用多孔、吸附性材料来对水体中的物质进行表面吸附的技术，是一种能够分离、富集水体中污染物的重要技术。吸附法与吹脱、加热等工艺配合还能实现对部分水体污染物的回收再利用。在水处理领域中，吸附法通常不承担主要的废水处理任务，多作为膜分离等工艺的预处理环节或其后的深度处理环节，以脱色、除臭、回收重金属、吸附溶解性有机物、吸附余氯等目的为主。吸附法根据原理划分为物理吸附、化学吸附、交换吸附三种。

1.1 物理吸附

物理吸附借助的是水体中溶质（污染物）与吸附材料之间的范德华力，这样的吸附作用使得溶质不固定在吸附材料表面，因此，吸附的稳定效果不如化学吸附。且受到范德华力的限制，物理吸附需要在低温环境下进行，对吸附材料的比表面积、孔隙率有较高的要求。

1.2 化学吸附

化学吸附借助的并非范德华力，而是溶质与吸附材料之间发生化学反应而产生的化学键力，这样的吸附作用使得溶质被固定在吸附材料表面。化学吸附因为是化学反应的产物，因此，吸附材料通常具有选择性吸附的特点，只能针对某种或某几种溶质进行吸附。化学吸附的效率与溶质、吸附材料的化学性质有较为密切的关系。

1.3 交换吸附

交换吸附与物理吸附、化学吸附都不同，它的实现借助的是溶质和吸附材料的表面带电离子，借助的是离子之间的静电吸引效果。交换吸附的吸附稳定程度较物理吸附弱，更容易受到外界因素变化的干扰。交换吸附其实是离子交换的产物，吸附效率与吸附材料的离子数、水合半径有较大关系。

2 吸附法在有机废水处理领域中的应用

2.1 大孔树脂在有机废水处理中的应用

大孔树脂的吸附工作是范德华力、溶剂化、静电、氢键等吸附作用的综合结果。大孔树脂是一种集物理吸附、化学吸附、交换吸附为一体的吸附材料。大孔树脂的种类很多，可以吸附的有机废水污染物种类也很多。在有机废水处理过程中可以根据污染物成分来选择不同种类的树脂，提高树脂的吸附效果。对于极性的污染物，技术人员可以适当调节树脂极性，使树脂与污染物之间形成氢键，配合脱附等工艺可有效延长树脂的使用寿命。

大孔树脂的吸附作用目前已经在单苯环结构酚类废水、苯酚废水、炼焦废水、多个苯环化合物废水、磺酸类废水、含氮有机废水、有机农药废水、萘系染料废水、对硝基苯乙酮废水、苯甲醇废水、苯肼类废水、对氨基吡啶废水等有机废水的处理中进行了应用。经过实验可知，大孔树脂对有机污染物的去除率通常在90%以上，对COD值的去除率也基本保持在80%以上。大孔树脂能够通过脱附来回收有机废水中有价值物质的特点，也使得大孔树脂吸附法具备经济和环境的双重效益，是我国工业生产三废处理中重要的工艺。

2.2 活性炭的静态吸附在有机废水处理中的应用

静态吸附是一种借助时间力量来使吸附材料与有机废水达到吸附平衡的工艺，通常需要吸附材料与有机废水密切接触数个乃至数十个小时，是一种需要废水长时间停留的有机废水处理工艺。静态吸附法对吸附材料的比表面积、孔容、孔径等参数有较高的依赖程度，根据实验室可知比表面积大、孔容大、孔径小的吸附材料能够更快速地吸附有机废水中的污染物，能够吸附更多的有机污染物，更快地实现对有机废水的处理。以活性炭为例，活性炭参与静态吸附时通常需要有机废水停留30余个小时才能够达到吸附饱和，才能够使得有机废水的COD值不再明显下降，对有机废水中污染物的吸附率较难超过55%。研究人员通过使用活性炭粉末、颗粒等形式的吸附材料进行实验，发现粉末状或颗粒状的活性炭都能够更快达到吸附饱和，对有机污染物的吸附率也更高，但后续的脱附难度更大，不利于活性炭的回收再利用。

2.3 活性炭的动态吸附在有机废水处理中的应用

动态吸附与静态吸附的区别很大，是一种使有机废水通过填充了吸附材料的吸附柱来实现污染物吸附的处理工艺。与静态吸附作用相比，动态吸附工艺对有机废水中污染物的接触效率更高，对有机污染物的脱除效果更佳，对有机废水的COD值控制有较好的效果。但由于受到吸附热、动态平衡等方面的因素影响，活性炭的动态吸附总量较静态吸附总量要小很多。因为有机废水在流经动态吸附柱时会与柱体摩擦，导致有机废水或吸附柱附近升温，导致活性炭动态吸附法对于有机废水的处理效果弱，需要人为控制温度平衡。动态吸附能够将活性炭的吸附作用时长缩短至400min以内，对有机污染物的脱除率可以达到90%以上，对有机废水COD值程度均为低于60mg/L。若研究人员将活性炭缩小至颗粒状活性炭或粉末状活性炭，动态吸附的活性炭对于有机污染物和COD值的去除效率还会进一步增加。

2.4 石墨烯在有机废水处理中的应用

石墨烯是一种新型吸附材料，具有比表面积大、化学性质稳定、孔结构分布合理等优势，在有机废水处理领域中有较为广阔的应用前景和空间。石墨烯吸附材料中并不仅仅包含石墨烯，石墨烯在其中占据的比例不过55%，其余比例为无机结构增强剂。这种石墨烯吸附材料本身具有较为优秀的比表面积和吸附能力，比较适合应用于有机废水处理中的有机污染物。石墨烯与活性炭相比，比表面积、孔容都比活性炭大，同样的静态吸附或动态吸附过程中，石墨烯吸附材料对有机污染物的吸附效果比活性炭更加优秀，因此，石墨烯有望取代活性炭在吸附领域中的应用。根据实验室研究可知，石墨烯在静态吸附过程中历经3h即可接近吸附饱和状态，对有机物的脱除率高达96%；在动态吸附过程中，30min左右石墨烯对有机污染物的吸附率就已经能够达到90%以上，这个速度远超活性炭材料。

2.5 超重力吸附法在有机废水处理中的应用

超重力吸附法是一种借助离心力场模拟超过地球重力加速度环境的吸附法，这种吸附法的作用关键在于借助超过地球重力加速度环境迅速更新相表面，加大吸附材料的吸附作用效果。超重力技术在吸收、精馏、分离等领域中已经基本成熟，其在废水吸附处理领域中还属于新兴事物，还处于被研究的阶段。想要营造超重力环境，技术人员需要在吸附环节中设置旋转填料床，借助旋转填料床的高速旋转来实现超重力环境的营造，使液体在高速离心力的作用下形成比表面积更大的状态，大幅度提升有机废水与吸附材料的接触面积，增大吸附脱除效果。根据实验室分析可知，超重力吸附法使用过程中，超重力因子、液体流率、有机废水初始浓度对吸附效果都有一定的影响，需要进一步研究和稳定，才能够保证超重力吸附法在有机废水处理中的应用效果。以超重力因子为例，在超重力环境营造初期，有机废水中污染物的去除率随着时间的流逝大幅度增加，这是因为超重力环境下有机污染物能够更快地达到吸附材料表面，被吸附材料所捕获；随着超重力环境的持续，有机污染物颗粒之间的持液量大幅度下降，因为大部分的溶液都被用于润湿吸附材料，从而导致吸附效果下降，最终达到吸附饱和状态。而不同有机污染物的颗粒之间持液量有所差异，因此，在针对不同成分的有机废水吸附处理时，技术人员需要根据需求来调整超重力因子，调整持续吸附的维持时间。

3 结语

吸附法是废水处理领域中常见的物化处理工艺，承担的水处理任务从简单脱色、除臭、回收重金属，逐步上升到二次处理环节的预处理环节或深度处理环节。吸附法的重要性变化与吸附材料的推陈出新、吸附技术的不断创新有着很大的关系。相较于活性炭而言，石墨烯是吸附效果更佳的吸附材料，静态吸附和动态吸附状态下的吸附量都超过活性炭。对于传统的静态吸附、动态吸附而言，超重力吸附是一种新兴事物，虽然还不能稳定地应用于水处理领域中，但它具备超出静态、动态吸附工艺的理论基础，是吸附法领域中重要的发展趋势。适用于吸附处理环节的材料和技术还需要科研人员投入更多的时间和精力去研究，吸附法还有很大的进步空间。