第六章、活性炭吸附

第六章、活性炭吸附活性炭吸附是有效的去除水的臭味、天然和合成溶解有机物、微污染物质等杂质的措施。

大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等都能牢固的吸附在活性炭表面上或孔隙中，并对腐殖质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。

实践证明，活性炭可降低总有机炭TOC、总有机卤化物TOX和总三卤甲烷TTHM等指标。

一、活性炭性能1、活性炭的制造活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油脚、皮革废物、纸厂废物等等。

近来有的国家倾向于用天然煤和焦炭制造粒状活性炭。

活性炭的制造分成碳化及活化两步。

（1）碳化也称热解，是在隔绝空气条件下对原材料加热，一般温度在600℃以下。

有时原材料先经无机盐溶液处理后再碳化。

碳化有多种作用，一是使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体，第二个作用是使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。

（2）活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。

当氧化过程的温度在800～900℃时，一般用蒸气或CO2为氧化剂，当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。

对于活化过程所起的作用，目前只有大致的理解。

在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，把原有孔隙边上的碳原子烧掉，起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。

活化使活性炭变成一种良好的多孔结构，碳化及活化后的微晶片结构示意见图6－2。

2、活性炭的性质活性炭分成粉末状及粒状的两种类型以供不同的用途。

每克活性炭的表面积可高达1000 m2，但99.9％以上的面积都在多孔结构颗粒的内部。

活性炭的极大吸附能力即在于它具有这样巨大的吸附比表面积。

（1）粒状活性炭以吸附柱的形式来应用，一般在快滤池后建造活性炭滤池，去除水中有机物。

当吸附能力饱和后，通过再生以恢复共吸附能力。

（2）粉末活性炭一般与混凝剂一起直接投加于水中，经混合吸附后分离出来，由于再生技术尚未完善的关系，往往作为污泥排掉。

常用于季节性水质恶化时的间歇处理以及粉末活性炭投加量不高时。

活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。

图6－2 活性炭的微晶片结构示意二、吸附等温线为了确定活性炭对水中某种成分的吸附能力，需进行吸附试验以获得吸附等温线。

在烧杯中装入体积为V的原水，其中所含的拟被去除成分的浓度为Ci（mg/L），在投加m（mg）的活性炭进行搅拌后，不断测定水中该种成分的残余浓度，当残余浓度达到某一数值Ce后，即不再下降，即平衡浓度Ce。

吸附试验还需改变活性炭的投加量m（见图6－3），以求得在同样的原水初始浓度Ci及试验条件下的相应平衡浓度Ce。

由试验结果就可以画出吸附等温线来。

当达到平衡浓度Ce时，可知m（mg）活性炭所吸附的杂质量为V（Ci－Ce）mg，因而每毫克活性炭所吸附的杂质量为：（6－1）式中x代表被吸附的杂质毫克数，x/m代表活性炭吸附容量。

对同样的原水用不同种类的活性炭进行吸附试验，所得到的平衡浓度Ce是不相同的，因而x/m值也不相同。

但对同一种活性炭来说，试验证明x/m值是Ce和温度T的函数，即：（6－2）当试验的温度T不变时，x/m仅是Ce的函数，即：（6－3）图6－3 活性炭的吸附过程按上述试验过程在等温条件下得到的吸附容量x/m对平衡浓度Ce值所画出的曲线称为吸附等温线。

对同样的原水用不同型号的活性炭，或者同一种型号的活性炭用于不同样的原水，所得的吸附等温线都可能是不一样的。

常见的吸附等温线有三种类型，每种类型相应于一种吸附公式，如图6－4所示。

图6－4 吸附等温线Ⅰ型的吸附等温线可用Langmuir公式处理，Ⅱ型等温线可用Branauer、Emmett及Teller(简称BET)公式处理，Ⅲ型等温线可用Freundlich公式处理。

最常用的吸附等温式是Freundlich经验公式，该表达式为：（6－4）式中Kf和n为常数。

求吸附公式中的常数时，可将式（6－4）变为：（6－5）在双对数坐标纸上根据试验数据绘图，见图6－5，在图中就可求出常数Kf和n。

图6－5 求Freundlich公式的常数由吸附等温线可以比较不同活性炭对各种溶质的吸附效果，并由此计算所需去除的溶质从初始浓度Ci降低到要求的浓度Ce时，需投加的粉末活性炭数量为：（mg/L）（6－6）式中qe为吸附等温线上对应于Ce的吸附容量。

三、活性炭吸附柱试验活性炭池设计时，水和炭的接触时间以及泄漏时间是两个重要的参数。

①接触时间指活性炭床容积除以流量或炭床厚度除以流速所得的时间；②泄漏时间指流量一定时，从活性炭池开始进水到出水开始不符合水质要求时所经历的时间。

当设计流量确定后，由接触时间可计算活性炭床厚度和确定活性炭池的容积；由泄漏时间可计算活性炭床的利用率及再生系统的规模。

一般接触时间短，则活性炭床容积小，但泄漏时间提前以致再生周期较短；接触时间长，则活性炭床容积较大，但可延缓泄漏时间，延长再生周期。

通常通过活性炭吸附柱试验来确定炭床容积和再生频率的选择。

活性炭吸附柱有下列三种类型：重力固定床、压力固定床以及流化床，如图6－6所示。

无论哪一种类型，进水都是先经过吸附有机物最多的那部分活性炭。

图6－6 活性炭吸附柱的类型活性炭吸附柱的高度与吸附柱吸附过程的相关关系定义了一个吸附带的高度，并说明可以根据吸附过程曲线来设计吸附柱。

如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间间的关系绘成曲线，则得到图6－7的吸附过程曲线。

图6－7中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。

当增加到允许的有机物出水最高浓度Cb（运行时间tb）时，吸附柱即停止运行，柱内的活性炭需经再生恢复活性后，才能重新使用。

允许的最高出水浓度Cb则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为Vb，它相应的运行时间tb称为吸附周期。

如果将已达到Cb的吸附柱继续通过原水，出水的有机物浓度将迅速上升，以致很快接近进水浓度Ci，说明吸附柱的能力已经耗竭。

图6－7 吸附柱的泄漏和耗竭曲线图中泄漏点所对应的吸附柱所吸附有机物总量为吸附柱的有效容量，耗竭点所对应的吸附柱所吸附有机物总量为吸附柱所具有的总吸附能力。

图6－7从浓度Cb到Cx出现了一道S形曲线。

由于Cb及Cx分别接近0及Ci，为了说明方便，图6－8中把吸附过程曲线的末端画成从浓度0到Ci。

整个吸附过程曲线的形状主要反应吸附过程的特点，但也和水的流速以及吸附柱的高与直径的比有关系。

下面按仅与吸附过程的关系来说明它的物理涵义，并由此得出它与吸附柱高度的关系。

图6－8 泄漏耗竭曲线的物理意义图6－8表明了在吸附柱的运行过程中，有一个δ的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏时间tb达到柱底，并在耗竭时间tx完全消失掉。

这个厚度称为吸附带。

吸附带代表了原水中有机物浓度从Cx被去除到出水允许浓度Cb所必须通过的最小吸附柱厚度。

当吸附带还未到达吸附柱底部时，由于它下面的活性炭的吸附作用，有机物的浓度可从Cb进一步降低以至为0，当吸附带到达柱底后，它只能起把水中有机物浓度Cx降低为Cb的作用。

图6－8表示出吸附带从吸附柱顶向下运动的过程和泄漏与耗竭曲线的关系。

当吸附带到达柱底时，出水总量及运行时间分别为Vb及tb。

吸附带的厚度δ越大，炭床的利用率越低，吸附带的厚度δ可按下式计算：（6－7）式中，L ——炭床厚度（m）；tb ——从开始进水到吸附柱泄漏的时间；tx ——从开始进水到吸附柱耗竭的时间。

吸附带厚度受下列因素影响：（1）流量越大，吸附带厚度越大，则炭床的利用率下降；（2）活性炭的粒径减小，吸附带的厚度也减小，则炭床的利用率提高。

一般活性炭的平均粒径以0.8～1.7mm较好，既有良好的水力性能，又能减小吸附带的厚度。

四、活性炭的再生活性炭再生的目的是恢复活性炭的吸附活性。

所谓再生，就是在吸附剂本身结构不发生成极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的孔隙中除去，以达到能够重复使用的目的。

活性炭的再生主要有以下几种方法：1、加热再生法加热再生法分低温和高温两种方法。

前者适用于吸附浓度较高的简单低分子量的碳氢化合物和芳香族有机物的活性炭的再生。

由于沸点较低，一船加热到200℃即可脱附。

多采用水蒸汽再生，再生可直接在塔内进行。

被吸附有机物脱附后可利用。

后者适于水处理粒状炭的再生。

高温加热再生过程分5步进行：（1）脱水使活性炭和输送液体进行分离。

（2）干燥加温到100～150℃，将吸附在活性炭细孔中的水分蒸发出来，同时部分低沸点的有机物也能够挥发出来。

（3）炭化加热到300～700℃，高沸点的有机物由于热分解，一部分成为低沸点的有机物进行挥发；另—部分被炭化，留在活性炭的细孔中。

（4）活化将炭化留在活性炭细孔中的残留炭，用活化气体（如水蒸气、二氧化碳及氧）进行气化，达到重新造孔的目的。

活化温度一般为700～1000℃。

（5）冷却活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。

活性炭高温加热再生系统由再生炉、活性炭贮罐、活性炭输送及脱水装置等组成。

高温加热再生法的优点：①几乎所有有机物都可采用此法；②再生炭质量均匀，再生性能恢复率高，一般在95％以上；③再生时间短，粉状炭需几秒钟，粒状炭30～60min；④不产生有机再生废液。

缺点有：①再生损失率高，再生一次活性炭损失率达3％一10％；②在高温下进行，再生炉内内衬材料的耗量大；③需严格控制温度和气体条件；④再生设备造价高。

2、药剂再生法药剂再生法可分为无机药剂再生法和有机溶剂再生法两类。

（1）无机药剂再生法用无机酸（H2SO4、HCl）或碱（NaOH）等无机药剂使吸附在活性炭上的污染物脱附。

如，吸附高浓度酚的饱和炭，用NaOH再生，脱附下来的酚为酚钠盐，可回收利用。

（2）有机溶剂再生法用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂萃取吸附在活性炭上的有机物。

例如吸附含二硝基氯苯的染料废水饱和活性炭，用有机溶剂氯苯脱附后，再用热蒸汽吹扫氯苯，脱附率可达93％。

药剂再生可在吸附塔内进行，设备和操作管理简单，但药剂再生，一般随再生次数的增加，吸附性能明显降低，需要补充新炭，废弃一部分饱和炭。

3、化学氧化法（1）电解氧化法将碳作阳极，进行水的电解，在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。

（2）臭氧氧化法利用强氧化剂臭氧，将吸附在活性炭上的有机物加以分解。

第三节、中和一、概述1、酸碱废水的来源（1）酸性工业废水的来源化工厂、化纤厂、电镀厂、煤加工厂及金属酸洗车间等都排出酸性废水。

有的废水含无机酸，有的含有机酸，有的同时含无机酸和有机酸。

含酸废水浓度差别很大，从小于1％到10％以上。

（2）碱性工业废水的来源印染厂、金属加工厂、炼油厂、造纸厂等排出碱性废水，其中有有机碱，也有无机碱，浓度可高达百分之几。