論活性炭吸附技術(shù) | 在水處理中的應(yīng)用
活性炭作為一種比較特殊的碳質(zhì)材料，以其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、良好的穩(wěn)定性質(zhì)、很強的吸附能力以及優(yōu)異的再生能力，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保等各個領(lǐng)域，文章將著重介紹活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用。
1.活性炭的物理化學(xué)特性
1.1 活性炭(AC)
活性炭是常用的一種非極性吸附劑，性能穩(wěn)定，抗腐蝕，故應(yīng)用廣泛。它是一種具有吸附性能的炭基物質(zhì)的總稱。把含碳的有機物質(zhì)加熱炭化，去除全部揮發(fā)物，在經(jīng)藥品(如ZnCl2等)或水蒸汽活化，制成多孔性炭素結(jié)構(gòu)吸附劑。活性炭有粉狀和粒狀兩種，工業(yè)上多采用粒狀活性炭。
由于原料和制法的不同，其孔徑分布不同，一般分為：碳分子篩，孔徑在10×10-10m以下;活性焦炭，孔徑20×10-10以下;活性炭，孔徑在50×10-10m以下。
1.2 活性炭纖維(ACF)
活性炭纖維是一種新型吸附功能材料，它以木質(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料，經(jīng)炭化和活化制的。與活性炭相比較特有的微孔結(jié)構(gòu)，更高的外表面和比表面積以及多種官能團，平均細(xì)孔直徑也更小，通過物理吸附以及物理化學(xué)吸附等方式在廢水、廢氣處理、水凈化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
纖維狀活性炭微孔體積占總孔體積90%左右，其微孔孔徑大部分在1nm左右，沒有過度孔和大孔。比表面積一般為600～1200m2/g，甚至可達(dá)3000m2/g。活性炭纖維脫附再生速率快，時間短，且其性能不變，這一點優(yōu)于活性炭。與活性炭一樣，活性炭纖維吸附時無選擇性，主要用于吸附有機污染物，一般用于煉油廠綜合廢水處理。
2.活性炭的吸附作用與吸附形式
2.1 活性炭處理
指利用活性炭作為吸附劑和催化劑載體的有關(guān)過程。主要應(yīng)用于生活飲用水深度凈化，城市污水處理，工業(yè)廢水的處理。
2.2 吸附作用與吸附形式
將溶質(zhì)聚集在固體表面的作用稱為吸附作用。活性炭表面具有吸附作用。吸附可以看成是一種表面現(xiàn)象，所以吸附與活性炭的表面特性有密切關(guān)系。活性炭有巨大的內(nèi)部表面和孔隙分布。它的外表面積和表面氧化狀態(tài)的作用是較小的，外表面是提供與內(nèi)孔穴相通的許多通道。表面氧化物的主要作用是使疏水性的炭骨架具有親水性，使活性炭對許多極性和非極性化合物具有親和力。活性炭具有表面能，其吸附作用是構(gòu)成孔洞壁表面的碳原子受力不平衡所致，從而引起表面吸附作用。
3.活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用
3.1 活性炭吸附技術(shù)應(yīng)用于水處理中的概況
實踐證明，活性炭是用于水和廢水處理較為理想的一種吸附劑，研究活性炭用于水和廢水處理已有十年的歷史。近二十年來，由于活性炭的再生問題得到了較為滿意的解決，同時，活性炭的制造成本也有了降低，活性炭吸附技術(shù)在國內(nèi)外才逐漸推廣使用，目前使用最多的是三級廢水處理和給水除臭。20世紀(jì)60年代初，歐美各國開始大量使用活性炭吸附水源凈化的有效手段。我國20世紀(jì)60年代已將活性炭用于二硫化碳廢水處理，自70年代初以來，粒狀活性炭處理工業(yè)廢水，不論在技術(shù)上，還是在應(yīng)用范圍和處理規(guī)模上都發(fā)展很快。在煉油廢水、炸藥廢水、印染廢水、化工廢水、電鍍廢水等處理都已在生產(chǎn)上形成較大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了滿意的效果。
3.2 活性炭在廢水處理中的應(yīng)用
活性炭有不同的形態(tài)，目前在水處理上仍以粒狀和粉狀兩種為主。粉狀炭用于間歇吸附，即按一定的比例，把粉狀炭加到被處理的水中，混合均勻，藉沉淀或過濾將炭、水分離，這種方法也稱為靜態(tài)吸附。粒狀炭用于連續(xù)吸附，被處理的水通過炭吸附床，使水得到凈化，這種方法在形式上與固定床完全一樣，也稱為動態(tài)吸附。能被活性炭吸附的物質(zhì)很多，包括有機的或無機的，離子型的或非離子型的，此外，活性炭的表面還能起催化作用，所以可用于許多不同的場合。
活性炭對水中溶解性的有機物有很強的吸附能力，對去除水中絕大部分有機污染物質(zhì)都有效果，如酚和苯類化合物、石油以及其他許多的人工合成的有機物。水中有些有機污染物質(zhì)難于用生化或氧化法去除，但易被活性炭吸附。
由于活性炭吸附處理的成本比其他一般處理方法要高。所以當(dāng)水中有機物的濃度較高時，應(yīng)采用其他較為經(jīng)濟的方法先將有機物的含量降低到一定程度在進(jìn)行處理。在廢水處理中，通常是將活性炭吸附工藝放在生化吹得后面，稱為活性炭三級廢水處理，進(jìn)一步減少廢水中有機物的含量，去除那些微生物不易分解的污染物，使經(jīng)過活性炭處理后的水能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，或使處理后的水能回到生產(chǎn)工藝中重復(fù)使用，達(dá)到生產(chǎn)用水封閉循環(huán)的目的。
活性炭吸附有機物的能力是十分大的，在三級廢水處理中，每克活性炭吸附的COD可達(dá)到本身質(zhì)量的百分之幾十。在廢水處理廠中增加了三級廢水處理能使BOD的去除效果達(dá)到95%。活性炭以物理吸附的形式去除水中的有機物，吸附前后被吸附的性質(zhì)并未變化，如果能采用適當(dāng)?shù)慕馕椒ǎ€能回收水中有價值的物質(zhì)。如果把粉狀活性炭投入爆氣設(shè)備中，炭粉與微生物形成了一種凝聚體，可使處理效果超過一般的二級生物處理法，出水水質(zhì)接近于三級處理。
此外，還能夠使活性炭污泥變得縝密和結(jié)實，降低出水渾濁度，提高二級處理的水力負(fù)荷。粉狀炭可以間斷地加入，對于現(xiàn)有的二級處理廠可在不增加三級處理投資的情況下，提高處理效果。
3.3 粉狀活性炭在給水處理中的應(yīng)用
粉狀活性炭在給水處理中的應(yīng)用已有70年左右的歷史。自從美國首次使用粉狀活性炭去除氯酚產(chǎn)生的臭味以后，活性炭成為給水處理中去除色、嗅、味和有機物的有效方法之一。國外對粉狀活性炭吸附性能做的大量研究表明：粉狀活性炭對三氯苯酚、農(nóng)藥中所含有機物，三鹵甲烷及前體物以及消毒副產(chǎn)物三氯醋酸、二氯醋酸和二鹵乙腈等均有很好的吸附效果，對色、嗅、味的去除效果已得到公認(rèn)。
粉狀活性炭在歐洲、美國、日本等地的應(yīng)用很普遍，美國20世紀(jì)80年代初期每年在給水處理中所用粉狀活性炭約25萬噸，且有逐年增加的趨勢。我國20世紀(jì)60年代末期開始注意污染水源的除嗅、除味問題。粉末活性炭在上海、哈爾濱、合肥、廣州都曾試用過。
粉狀活性炭應(yīng)用的主要特點是設(shè)備投資低，價格便宜，吸附速度快，對短期及突發(fā)性水質(zhì)污染適應(yīng)能力強。自來水廠中應(yīng)用粉狀活性炭吸附技術(shù)，是一項非常有前景的技術(shù)。但是，由于未能很好地解決該技術(shù)在應(yīng)用方面存在的局限性，仍然難以發(fā)揮粉狀活性炭技術(shù)的優(yōu)勢，導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用不能達(dá)到實際效果。
在自來水廠中的應(yīng)用必須解決理論依據(jù)和應(yīng)用兩大類問題。理論上應(yīng)解決的問題主要有以下幾個方面：
1.根據(jù)水廠原水的水質(zhì)狀況，特別是有機物分子量的分布狀況，確定投加粉狀活性炭的炭種和不同炭種活性炭對有機物去除效果的影響;
2.根據(jù)水廠的實際水質(zhì)情況，確定合適、合理的投加點及投加方式，以解決粉狀活性炭與混凝劑吸附競爭的矛盾，提高粉狀活性炭使用效率。
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