活性炭吸附技术在水处理中的应用

2020-01-13李栗莹清华大学环境学院北京100084

化工管理 2020年23期

李栗莹(清华大学环境学院，北京 100084)

0 引言

由于活性炭能有效去除水体中的异味、有机无机物体，该技术已广泛应用于处理城市生活污水、工业废水、净化水资源领域，有很好的效果。活性炭又称为活性炭黑。根据不同的原料和生产工艺，其颜色有一定的差异，但主要是黑褐色。由于其特殊的多孔结构，活性炭材料的比表面积非常大，可以达到2000m2/g 以上，因此具有很强的吸附性能，而其自身的疏水性能使其广泛应用于水处理领域。

1 活性炭性质及特点

活性炭是一种无形无味的炭，是由煤、沥青、石油焦、果壳等含炭元素的原料制成的，外表是黑色状粉末或块黑状，且活性炭内部结构的密度很大，易溶于、吸附各种物体。一般的活性炭表面积小到600m2/g，大到1600m2/g，强性的活性炭表面面积可高达3600m2/g。活性炭的主要成分为碳，在活性炭中含96%。由此，碳可以与氧气、氮气、氢气结合，组成有利的吸附因子、净化因子，有效将污水、废水中的不明物体进行吸附清洁[1]。因为每个需吸附的物体均不同，需要活性炭不同吸附质的特性，那么选择各种各样的活性炭也是重中之重。所以，选择物理或化学吸附均要考虑活性炭内部结构活性来进行吸附和净化，例如范德华研究的活性炭吸附力显示吸附过程中温度非常重要，温度越高吸附越小且不可逆。但活性炭密度不平均，被吸附的物体与活性炭表面发生碰撞后，会与其表面的元素进行交互作用，从而进行元素的转移、共享、吸附。

2 活性炭的吸附机理

在活性炭的制备过程中，挥发性有机物被去除，形成许多不同形状的孔。孔隙率占活性炭总体积的50%以上，其活性炭表面含有的活物可达1500m2，但90%活性会大于多孔结构的面积，从而进行吸附[2]。对此，活性炭的孔分布密度、数量也非常大，最小可至1nm，最高可至100nm，甚至更高。通常上说，活性炭可以按照结构中的孔分为小孔、中孔、大孔。且吸附过程中，活性会根据为孔的密度分别进行吸附，从而不断优化吸附容量。而且，活性炭中的孔也是一个吸附通道，其分布在活性炭中不同的地方，可以影响着不同的吸附和分解能力及速度。因此，活性炭在吸附过程中，溶质从溶剂两者会发生交互作用，从而会驱动分解、浓质、浓剂之间的相互运用，从而改变活性炭的性质。因此，在水处理中，活性炭吸附可以将污染物化为疏水性和亲水性有机化合物。溶质对吸附剂表面的亲和力可分为溶质在溶剂中的溶解度和溶质与吸附剂之间的范德华力、化学键力和静电引力。通常上，活性炭交互作用下是一个非常复杂的过程。它是一种通过物理吸附、化学吸附、交换吸附、氧化、催化氧化和活性炭还原去除水中污染物的水处理方法。

3 活性炭在水处理方面的应用

3.1 活性炭吸附法应用于吸附重金属离子

活性炭对重金属离子的吸附除表面积大、孔道发达、空腔容量大外，还取决于活性炭表面的稳定性和可调节性，活性炭表面含氧和含氮官能团的存在可以改变重金属的化学性质。

因现代化工业不断的发展中，大量的重金属离子不断地从工业废水中分散出来，存有极大的安全隐患。对此，利用活性炭的结构密度特点，可以不断地优化活性炭链接式的密度结构，从而加快对重金属离子的吸附、分解[3]。近年来，多元化的行业不断新起，工业技术优化中不断产生重金属离子的废水。活性炭身上有很多的化学、物理性质，可以有效地去除重金属离子，对其进行吸附。且在重金属离子中六价铬的金属最多，其以各种不一样的形式存在于水中，其结构中所含的pH 值也是不同的。而且，活性炭微孔结构可以很好地对重金属的阴离子进行吸附，从而改性重金属中含有的元素，使其表面吸附的负价铁、其他正价金属会发生交互作用，尤其是六价铬，会对铬产生化学吸附，从而去除水中的微量铬。改性活性炭可用于电镀废水中铬的处理，吸附水可达到国家排放标准。

3.2 活性炭吸附法应用于吸附水中有机物

活性炭对水中有机污染物具有良好的吸附能力。活性炭的亲水性优于亲油性炭。因此，活性炭对含油废水的吸附一般是采用其他方法吸附油脂，然后再用活性炭进行二次吸附。用这种方法吸附后的废水含油量将降低到0.1～0.2mg/L。

二是吸附含重金属离子的污水。例如酚类化合物、苯类化合物、石油和石油产品等具有很强的吸附能力，还可以去除生物法pH 和其它化学法难以去除的有机污染物、除草剂、杀虫剂、农药等异味；亚甲基蓝表面活性剂、合成染料、含有胺类、合成洗涤剂及多元化合成的有机物同时也具备吸附能力，可有效去除水中杂质[4]。该吸附过程中可以有效避免其他元素融合产生的毒副作用，也能提升吸附效果，且对微生物的吸附能力也具有很强的去除效果。对此，活性炭可以被作为过滤技术使用。

3.3 活性炭吸附法应用于污染水源净化

常规的净水工艺无法全部清除水中杂质、污染元素、有机物的，但活性炭的分子可以对水中的多元化元素具有吸附作用。西方国家很早以前，就开始使用粉末状态的活性炭对水中杂质、异味进行吸附清洁。但粉末状态的活性炭只适用于有机物、氨水污染的异味去除，无法用于季节性、高压污染的水源净化。且采用粉末状的活性炭处理时，需添加适量的悬浮液进行处理，该用量还需根据水的质量逐步少量添加，需控制元素之间的作用时间。对此，加药点可靠近原水泵或在澄清池前。由于其重复性差，抗干扰能力弱，污染水源和长期使用应逐步由颗粒炭替代。在给水处理中，颗粒活性炭主要采用吸附柱或吸附塔的形式。当吸附饱和时，可以再生以恢复其吸附能力。在欧美许多水厂中，由于需要大量的基建费用和一定的建筑面积来增加活性炭吸附过滤装置，采用颗粒活性炭代替砂滤池中的砂。

3.4 活性炭吸附法应用于城市污水处理

由于二级污水处理技术无法全部清除水中微生物的杂质，其出水的质量无法达到标准。但在我国水资源干枯地带，要考虑污水回用，进一步提高排放水质要求。因此，利用活性炭吸附技术去除污水中残留的溶解性有机物等杂质，已成为城市污水和工业废水深度处理的有效手段。二沉池二级处理水一般经过砂滤、活性炭吸附、氯气消毒等工艺处理，达到回用标准。活性炭吸附二级处理水采用单塔静态运行、多塔串联运行，从而达到回用标准。

3.5 活性炭吸附法对含油污水的处理

随着石油及其工业的快速发展，石油已成为普遍的污染源，其不断破坏生态环境的维护。对此，市场大多数的行业、物品含油量不断提升，其分布领域十分广泛。近年来，处理含油的污水处理方式有很多，且新的处理方式不断涌现中。但在众多处理方式中，活性炭吸附技术可优先将水中的油进行吸附，从而进行溶解作用。但其处理成本比较高，且吸附油的量有限，不能无限吸附油。因此，活性炭吸附技术对于含油污水的处理只可作为水处理的最后一级使用，无法作为前期处理技术使用。它作为最后一级净水技术，可以有效对污水残留有机物进行深层吸附、净化，有效溶解水中的含油量。

3.6 活性炭吸附法处理纺织业废水

纺织业作为我国传统产业之一，但纺织业的污染废水也不断提升。据有关材料显示，我国纺织业一天的排放量高达4 千吨，且纺织业的污染物色系复杂，C、b 值高，水质变化大，处理难度大。吸附法是利用多孔活性炭吸附废水中的污染物，从而对印染废水进行净化。能有效去除废水中C、B 的色度和OD。印染废水的处理方法有氧化法、生物降解法、絮凝法、膜分离法、吸附法等。国内外对活性炭处理印染废水的研究较多。但由于印染废水处理难度大，单用活性炭处理印染废水的应用和研究还不多见。它们大多与其它工艺相结合，以活性炭为载体、催化剂或深度处理，对印染废水进行较好的净化和脱色。

3.7 活性炭处理含汞废水

在氯碱工业中，汞作为负极生产氯和烧碱；在聚氯乙烯、乙醛和醋酸乙烯酯的合成作业中，汞元素是作为很多产业的催化剂，是比较常见的产业用剂。因此，工业的废水含有很高的汞元素。对此，汞元素对于人体的伤害具有严重的毒副作用，长期接触可导致人的脑神经受到损害，严重可致人死亡。然而，活性炭基数可以有效对工业废水中的汞元素进行吸附，但只能吸附低浓度废水中的汞元素。因此，当工业废水中的汞元素较高时，是无法全部吸附的。因此，可先降低汞元素在废水中的浓度，在进行活性炭技术净化。1mg/L～2mg/L 活性炭出水中汞含量可降至0.01mg/L～0.05mg/L，可循环利用。如电解厂废水中汞的浓度为，则在处理过程中加入硫酸亚铁和5mg/L～10mg/L 硫化钠进行反应。经沉淀池分离沉淀后，上清液中汞的浓度降至，再经颗粒活性炭0.1mg/L～1.0mg/L 池，废水中汞的浓度降至吸附后。0.01mg/L～0.05mg/L 活性炭对有机汞的吸附量高于无机汞。当活性炭对汞的吸附值降低时，汞的去除率也随之提高。报道了用二硫化碳溶液对活性炭进行预处理，可大大提高活性炭的除汞能力。

4 活性炭的发展前景

随着社会科学技术的不断提升下，人们对活性炭原有的吸附和净化能力已不再满意。为了提高活性炭的净化能力，有必要加大活性炭技术的开发力度，使其广泛应用于工业废水处理。在世界范围内，活性炭市场尚未正式形成，其研究尚处于发展阶段。随着水污染日益严重，对活性炭的需求将逐渐增加。目前，我国活性炭市场发展受到设备缺乏、技术含量低、成本高等因素的制约。相信在未来的发展中，我国活性炭市场的发展将得到有效的解决。