水处理吸附理论与技术

简析活性炭吸附技术在水处理方面应用

摘要: 现代工业的迅猛发展给环境带来的污染日益严重，尤为严重的是水体污染，已经引起了全世界的普遍关注。同时，随着人们生活水平的不断提高和环保意识的不断增强，使得人们对引用水水质的要求愈来愈严格。活性炭是最常用的优良的吸附剂，深刻了解活性炭的特性，正确选择活性炭，充分发挥其在水处理的作用，达到深度处理的效果，成为近来研究的重点。本文概述活性炭的特性及其吸附机理，介绍活性炭吸附技术及其组合工艺在国内外水处理中的应用和发展，总结它在应用中的优缺点并预测其前景和发展方向。

关键词: 活性炭、吸附、水处理、组合工艺

引言

传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉淀、过滤和加氯消毒来去除水中的悬浮物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。吸附法是采用多孔性的固体吸附剂，利用同一液相界面上的物质传递，使废水中的污染物转移到固体吸附剂上，从而使之从废水中分离去除的方法。具有吸附能力的多孔固体物质称为吸附剂。根据吸附剂表面吸附力的不同，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换性吸附。在废水处理中所发生的吸附过程往往是几种吸附作用的综合表现。废水中常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、沸石等。

1.活性炭的特性及其吸附机理

1.1活性炭的特性

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活性炭是一种由煤、沥青、石油焦、果壳等含碳原料制成的外观呈黑色的粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强。普通活性炭的比表面积为500-1500m2。超级活性炭比表面积则高达3500 m/g活性炭所含主要元素是碳，含量为90-95%。氧和氢大部分是以化学键的形式与碳原子相结合形成有机官能团，氧含量4%-5%左右，氢含量一般是1%-2%。活性炭中最常见的官能团有：羧基、酚羟基和醌型羧基，此外还有醚、酯等。另外，根据不同吸附质的特点选用不同性质的活性炭种类是非常重要的。活性炭吸附作用有包括物理吸附和化学吸附。物理吸附主要发生在活性炭丰富的微孔中，比如通过范德华力进行吸附，物理吸附吸附热很小，且是可逆的。由于活性炭表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当吸附质碰撞到活性炭表面上时便与表面原子问发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附，此过程为化学吸附。

1.2活性炭吸附机理

活性炭在制造过程中，其挥发性有机物被去除，品格问生成空隙，形成许多形状各异的细孔。其孔隙占活性炭总体积的70%～80%．每克活性炭的表而积可高达500～1700平方米，但99.9%都在多孔结构的内部。活性炭的极大吸附能力即在于它具有这样大的吸附面积。活性炭的孔隙大小分布很宽，从10-1nm到10nm以上，一般按孔径大小分为微孔、过渡孔和大孔。在吸附过程巾，真正决定活性炭吸附能力的是微孔结构。活性炭的全部比表面几乎都是微孔构成的，粗孔和过渡孔只起着吸附通道作用，但它们的存在和分布在相当程度上影响了吸附和脱附速率。研究表明：在吸附过程中发生溶质由溶剂向活性炭吸附剂表面的质量传递，推动力可以是溶质的疏水特性或溶质对吸附剂表面的亲和性，或两者均存在。在水处理中通过活性炭吸附而被去除的物质一般为兼有疏水基团与亲水基团的有机化合物。溶质对吸附剂表面的亲和力可分为两类：一类是溶质在溶剂中的溶解度；另一类则是溶质与吸附剂之间的范德华力、化学键力和静电引力。严

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格地说，活性炭吸附是一个很复杂的过程。它是利用活性炭的物理吸附、化学吸附、交换吸附以及氧化、催化氧化和还原等性能去除水中污染物的水处理方法。

2．活性炭吸附技术在水处理中应用及发展

水处理中的活性炭主要有粉末炭和粒状炭两类。粉末炭采用混悬接触吸附方式，主要以搅拌池吸附的形式应用；而粒状炭则采用过滤吸附方式，通常采用固定床的形式，如活性炭滤池等。粒状炭较之粉末炭具有可再生性好和抗干扰力强的优点。最近发展起来的另外一种叫做活性炭纤维，它是一种性能优于粉状炭和粒状炭的高效活性吸附材料j。活性炭纤维可方便地加工为毡、布、纸等各种不同的形状，制造的净水装置高效可靠、处理量大、结构紧凑，但价格较高。

下面将从被处理水的来源的角度来介绍活性炭吸附技术在水处理中的应用：

2.1活性炭吸附在污染水源净化中的应用

普通的给水净化工艺，对一些污染物如病毒、有机化合物不能有效去除。由于活性炭对水中微量有机物具有卓越的吸附特性，所以早任20年代末30年代初欧美国家就开始用粉状活性炭去除水中的臭、味等。粉状活性炭适用于含低浓度有机物和氨的污染水源的除臭、除味，尤其适用于季节性短期高峰负荷的污染水源的净化。粉状炭一般以5～10％的悬浮液投加，其投加量根据原水的水质而异，并与水处理厂的流程有关。一般情况下投加剂量为3～10mg/L。接触时间一般为15～30min。投加点可在原水泵附近或澄清池之前。因其可再生性差和抗干扰能力弱的缘故，对污染较严重的水源及长期使用时，应逐渐由粒状炭代替。在给水处理中，粒状活性炭多以吸附柱或吸附塔的形式来应用，当吸附饱和后，通过再生以恢复其吸附能力。由于在新建或扩建现有水厂时，增设活性炭吸附过滤装置需要大量的基建费用和一定的建筑面积，因此在欧美国家的许多水厂中用粒状活性炭取代砂滤池中的砂。

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2.2活性炭吸附法在城市污水中应用

目前，西欧和美国等许多国家基本普及了城市污水的二级处理，但其只能去除可生物降解的有机物，对那些难以生物降解或根本不能降解的有机物以及N、P等营养物质，则无能为力。为此，发展了三级处理——物理化学处理和粉末炭一活性污泥法处理。活性炭的三级处理是以去除水中的N、P等营养物质及难以生物降解的有机物为主要目的。

活性炭的物理化学处理分两步，首先通过化学絮凝沉淀来提高一级处理对水中的悬浮物、BOD等的去除能力，然后再用粒状活性炭滤床吸附除去水中的有机物。该法的优点主要是基建费低，占地面积小，对COD、BOD去除率高，并能有效去除重金属等。

粉末炭一活性污泥法(PACT)是在现有的活性污泥处理系统中投入粉末炭，以提高处理能力。因微生物分泌的酶被富集到活性炭表面，从而有效地使有机物氧化分解，一些降解速度慢的溶解性有机物由于被活性炭所吸附，延长了在系统中的停留时间，因而不致穿透出系统。该法能有效消除低温的不良影响，大大减少池中的泡沫、改善沉淀性。

2.3活性炭吸附在工业废水中的应用

工业废液的种类繁多，其中大宗的要算工业废水。活性炭吸附，特别是粒状活性炭吸附，已被证明是一种处理：E业废水的有效技术。使用时通常要采用如下必要措施：(1)预处理。为保证活性炭发挥正常吸附性能、水中悬浮物等尽可能减少，需要预处理。(2)选择合适的吸附器设计参数。选择吸附器形状，确定接触时间，选择适当滤速。(3)确定失效碳的再生方案。如在泡沫塑料的原料TDI 生产中，为了除去水中溶解的TDI，也采用活性炭和废水混合过滤的办法。有时为了精制TDI，消除TDI中的残渣，也采用活性炭、硅胶等进行吸附过滤，将残

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渣除去。其工艺流程示意图见图1。

2. 总结

活性炭吸附在水处理应用中主要具有如下优点：(1)活性炭对水中污染物有卓越的吸附能力，对用生物法和其他方法难以去除的有机污染物和重金属有较好的吸附去除效果；(2)活性炭对水质、水温及水量变化具有较强的抗冲击负荷能力，因而易于控制与管理；(3)活性炭吸附的“贵重”有机污染物和重金属易于回收利用，且活性炭本身也能脱附再生。但是，目前我国的活性炭供应比较紧张，再生费用较高，这大大提高了制水成本，从而限制活性炭的广泛使用 为进一步提高去除有机污染物的效率，改善出水水质，活性炭吸附组合工艺在水处理中得到较好的应用和发展。可以预测：活性炭吸附组合工艺将逐步取代单纯活性炭吸附，成为水处理行业巾的一种发展趋势。

参考文献

[1] Zhao ，C ．，Deng ，H ．，Li ，Y ．，et a1．Photo degradat ionof OX tetracycline in aqueous by

5A and 13X loadedwith Ti02 under tIV irradiation[／]．Journal ofHazardous Materials ，2009，176(1-3)，884-892．

[2] 罗金鸣．简析活性炭在水处理中的应用[J]．科技论坛：93—95．

[3] 张小璇，叶李艺，沙勇，等．活性炭吸附法处理染料废水[J]．厦门大学学报(

自然科学

版)，2005，44(4)：542-545．

[4] 高维娜.张军明.孙凯活性炭纤维对苯的吸附原理及其前景展望[期刊论文]-甘肃科技

2009,25(5)]

[5] 张永.宁平.徐浩东.户朝帅.王学谦.邓春玲. 改性活性炭吸附净化黄磷尾气巾的PH3.环境

工程学报2007,1(5)

[6] 方正.余海洋.孙登蜂.潘义.董俊室内空气污染治理材料与技术.中国测试技术2007(6)

[7] 杨忠东.庞建新.伍昭化核医学示踪剂原料氧-18水废液提纯工艺的研究.第二军医大学学

报2007(5)

[8] 兰淑澄．活性炭水处理[M J_北京：中国环境科学出版社．1991

[9] 许保玖，龙腾瑞．当代给水与废水处理原理【M]．北京：高等教育出版社，2000．

[10] 许静，黄肖容，等．活性炭水处理技术及其再生方法lJ]．广东化工，2005，(9)：29～

31．

[11]李增新，孟韵，王彝．活性炭纤维用于苦卤脱色的研究【J]．无机盐工业．2005．37(I2)：

50～52

[12] 叶劲，刘恒，肖克艰．粉末活性炭处理微污染水源水的研究[J]．城镇供水，2005，(4)：

23～25．

[13] 张宝安，张宏伟，张雪花，等．生物活性炭技术在水处理中的研究应用进展[J]．工业

水处理，2008，28(7)：6-8．

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