活性炭纤维及其在水处理中的应用

活性炭纤维及其在水处理中的应用活性炭纤维(ACF) 是继粉状活性炭( PAC) 和颗粒活性炭( GAC) 之后的第三代活性炭产品,是20世纪70 年代后期发展起来的一种高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF 的前驱体是炭纤维,是由有机纤维原料经炭化、活化而成。根据生产中前驱体的不同,目前实现工业化生产的活性炭纤维产品主要分为粘胶基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯腈基ACF、沥青基ACF等。由于前驱体的差异,不同的ACF 产品具有不同的功能。实际工作中应根据需要选取相应的ACF。

1、ACF的特点及性能

ACF有丰富的微孔结构和巨大的比表面积,它有多种形式的制成品, 与粉末状和颗粒状吸附材料相比,吸附和脱附速率更快,而且使用更灵活方便。另外, ACF在震动下不产生装填松动和过分密实的现象,克服了在操作过程中形成沟槽和沉降的问题。与AC相比, ACF的优势极其明显。首先, ACF的细孔结构不同于AC, ACF的微孔结构丰富且孔径分布集中(1-2nm), 微孔体积占总孔体积的90%左右, 没有过渡10 %左右; ACF的比表面积较大, 一般都在1000m2/g以上, 甚至可达3000m2 / g , 从而具有更大的吸附容量;ACF的微孔直接分布于纤维的表面,因而吸附质扩散的路径短、时间短,其吸附和再生的速率快,可在较温和条件下再; AC的细孔由大孔(控制扩散速率)、中孔和微孔组成,吸附质扩散要相继经过大孔、中孔和微孔,其扩散路径长、时间长,吸附和再生的速率慢, 因而ACF具有比AC大的吸附动力系数,吸附速

率较AC高2 -3个数量级, 再生容易且再生率高, 可重复使用上千次, 使用寿命达数年之久。其次, ACF的化学组成与AC有差别。不同原料或相同原料但不同方法制得的ACF, 其表面有不同的官能团,如胺基、亚胺基及磺酸基等,它们对某些吸附质具有特殊的吸附能力和氧化还原及催化特性。因为ACF具有电性能, 可利用ACF的导电性,将其作为电极,通过电杀菌作用解决细菌繁殖问题。

2、活性炭纤维在水处理中的应用

1）废水处理

ACF用于水的净化处理具有吸附容量大、吸附速度快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长的优点。将ACF用于环保工程中, 其操作安全, 由于体积密度小和吸脱层薄, 不会造成蓄热和过热现象,也不易发生事故, 且节能和经济, 可用于大型上水、净水处理,不仅净化效率高, 而且处理量大,装置紧凑, 占地面积小, 设备投资小和效益高。ACF适用于各种有机废水的处理。可对含氯废水、制药厂废水、有机染料废水、造纸黑液、苯酚废水、四苯废水、己内酰胺废水、二甲基乙酰胺和异丁醇废水进行处理。其吸附能力比粉状活性炭的吸附能力高得多, 尤其适用于高平衡浓度时, 每克ACF的吸附量约为粉状活性炭的3倍。其吸附能力随温度升高而提高。

用剑麻基ACF 可有效去除水中的各种有机染料, 如亚甲基兰、结晶紫、铬兰黑R等,去除率高达100 %; 沥青基ACF可有效地吸附酸性染料, 如酸性蓝74、酸性橙10等, 也用于直接染料如直接蓝19、直

接黄50及碱性染料的碱性棕1、碱性青紫3等。在对ACF电极法电解处理造纸黑液的应用研究中发现, 在pH值7左右和电解80min的条件下, COD、色度去除率分别达64. 25%和94%。黑液经酸析及聚铝絮凝预处理后进行ACF电极电解,可进一步提高COD及色度去除率。采用“酸化+ 电解(45min) + Fenton 试剂(60min) ”的综合治理方案。上述去除率可分别达94. 2 %和99. 6 % ,出水近乎清澈透明。

对炼油废水的处理结果表明, 采用ACF三级吸附的COD达10000mg / L的废水,净化效率达86%以上。用150-350℃的空气及蒸汽混合脱附,ACF性能不变,静态吸附量大于0.5g/ g ACF ; 对高浓度和成分复杂的页岩油干馏废水的处理后COD可低于2000mg/L; 对十三吗啉农药废水的处理, 采用二级ACF吸附, 出水COD低于150mg/L ,去除率达94 % , 饱和后采用5%浓度的酸性无机脱附剂处理,吸附性能可完全恢复; 对含PCB3废水的处理,经单级ACF吸附过的含PCB3 10- 27μg/ L的废水,出水达到国家排放标准,单柱稳定运行周期70-80天,吸附容量7g/ kg ACF。

2）废水中有用物质回收

ACF的微孔结构与表面特殊的官能团有吸附选择性,可以吸附工业废水中的有机化工原料、金属离子等有用成分。通过脱附回收,可实现环境效益与经济效益双赢。吉林化学工业公司某晒黑T染料厂的生产废水CODcr达3000-4000mg/L, 经ACF处理, 去除率达95%, 出水CODcr低于150mg/ L, 达到工业污水综合排放一级标准。吸附饱和的

ACF经碱脱附剂处理后可以再生,脱附液经酸处理可回收有用物质,

具有一定的经济效益。用ACF处理十三吗啉农药废水, CODcr可由2500mg/L降至150mg/L以下, 去除率达94%。吸附饱和的ACF 用酸性无机脱附剂处理,脱附液再用氢氧化钠溶液中和处理,可回收部分有机物,ACF的使用寿命可达2. 5a 左右。

ACF 对金属离子具有较好的吸附还原性能,可吸附水中的银、铂、汞、铁等多种离子并能够将其还原。研究发现,在碱性条件下, ACF对Pt(Ⅳ)有很好的还原吸附性能,吸附容量达500mg/ g。在剑麻基ACF对Ag + 吸附的研究中发现,剑麻基ACF 对Ag+有较好的还原吸附性能(吸附容量为8315mg/g), 经磷酸活化和热处理, 可使其吸附容量增大近一倍, 达163. 2 mg/ g。用经无机氧化剂改性的ACF吸附Ag + ,发现改性的ACF在碱性条件下对Ag+的还原吸附容量大大提高, 达550mg/ g。大多数情况下, 其还原反应可以大大促进对这些金属离子的吸附。用含有ZnO的ACF对Ag + 的还原吸附研究, 其结果表明: ZnO并不吸附Ag + ,但参与氧化还原反应, 中和ACF氧化还原吸附Ag+所释放的

H+ ,提高了ACF对Ag +的还原能力,还原吸附的Ag可生成大的银片,经加药振荡就可从纤维表面脱离。目前, ACF对金属尤其是贵金属的吸附研究很多。

3）废水深度处理

工业废水经生物处理、物理化学处理后,仍达不到工业废水排放标准时, 可用ACF进行深度处理。吉林化学工业公司某车间废水经混