改性活性炭在重金属废水处理中的应用

改性活性炭在重金属废水处理中的应用

摘要：活性炭具有优良的吸附性能，通过对活性炭进行改性处理，可以提高其对金属离子的吸附能力。国内外对于活性炭用于处理含重金属离子的污水进行了广泛的研究。本文主要概述了活性炭改性的方法，并对近年来国内外活性炭吸附水体中铬、铜、锌等重金属离子的应用研究进行了综述，并指出来活性炭用于处理重金属废水存在的问题和今后研究的方向。

关键词：活性炭；改性；重金属；吸附

The Application of Activated Carbon Modification

in Heavy Metal Wastewater Treatment

Yang Danni

(Department of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610207, China) Abstract: Activated carbon has highly adsorptive capacity and through the modification of it, the removal capacity of heavy metal ions can be improved. The activated carbon applied to the treatment of the wastewater containing heavy metal ions by the scholars both in China and abroad has been studied. The preparation of modified activated carbon is reviewed. The research progress on the adsorption of heavy metals, such as Cr6+,Cu2+,Zn2+etc.,from water by the activated carbon is summarized. At the end, the existing problems in the treatment of heavy metal wastewater with activated carbon and future research directions are put forward.

Key words: activated carbon; modified; heavy metal; adsorption

随着现代工业的快速发展，大量有害重金属离子正伴随采矿、冶炼、造纸、造船、电镀等工业活动排放的废水源源不断地进入水环境中，对环境造成了严重危害。工业废水中所含的重金属离子主要有铅、镉、镍、铬、铜、汞、砷、铁、锌、钴、钒等。这些重金属离子本身不能自行分解，具有很强的生理毒性和生物富集性。当其流入江河湖泊后，水体将受到严重污染，它还将随食物链富集传递，危害到人体健康[1-2]。

活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有较强的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，对水中溶解的有机污染物以及电镀废水和冶炼工业废水中的重金属也有较强的吸附能力。此外，对水质浑浊有明显的澄清作用，可以除去水中的异臭、异味，对细菌也有极好的过滤作用。因此，活性炭在水处理中越来越受到重视。但是，由于普通活性炭存在灰分高、孔容小、微孔分布过宽、比表面积小和吸附选择性能差等特点，加上其表面官能团及电化学性质的一些限制，使其对污染物的吸附去除作用有限，远远不能满足国内外市场的要求。因此，有必要对其结构和性质进行改性，以增大其吸附能力，缓解水污染压力。

目前，改性活性炭材料被广泛用于污水处理、大气污染防治等领域。

1吸附机理

活性炭是含碳物质经过高温热解和活化而得到的多孔状的碳化合物，其内部的多孔结构，使得每克活性炭的表面积可达1000m2，这样大的吸附面积决定了它具有极大吸附能力。

溶质从水中移向固体颗粒表面，发生吸附，是水、溶质和固体颗粒三者相互作用的结果。引起吸附的主要原因在于溶质对水疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力。活性炭对离子的吸附过程主要有下列几个步骤：1.液膜扩散，由流体主体扩散至吸附剂表面；2.孔扩散，由吸附剂孔内液相扩散至吸附剂中心；3.表面吸附反应。

在吸附重金属离子方面，较为认可的吸附机理包括以下三个方面[3]：

重金属离子在活性炭表面沉积而发生物理吸附；

重金属离子在活性炭表面发生离子交换吸附；

重金属离子与活性炭表面含氧官能团之间发生化学吸附。

其中离子交换吸附被认为是主要的吸附过程。但是Mohan等[4]人认为，活性炭对重金属离子的吸附过程不仅仅是一个简单的离子交换吸附过程，活性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个非常重要的原因。同时，金属阳离子和活性炭表面的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。

也有学者认为，活性炭对重金属的吸附式一种表面络合现象，活性炭颗粒表面各种含羟基的集团与溶液中离子的各种形态形成表面络合而将其吸附[5]。

2 活性炭改性方法

2.1表面物理结构特性改性

活性炭的表面物理结构特性包括活性炭的比表面积、微孔体积和结构、孔径分布，其决定了活性炭的物理吸附，其中孔径分布是影响吸附容量的主要因素。活性炭的表面物理结构特性改性就是指在活性炭材料的制备过程中通过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调整活性炭的孔隙结构及其分布，使活性炭材料的吸附表面结构发生改变，从而改变活性炭材料的物理吸附性能。

孔隙调整的目的就是使活性炭的微孔尺寸与吸附分子尺寸相当，从而提高其吸附能力。可以通过控制轻度活化程度来开孔和扩孔；缩孔则可以采用热收缩法、浸渍覆盖法和气相热解堵孔法等方法。碳沉积技术

也是一种调整活性炭的孔隙结构的方法，这种方法可以使活性炭具有分子筛性质。碳沉积包括气相碳沉积、液相浸渍后热解碳沉积、真空浸渍碳沉积。目前，化学气相碳沉积技术比较多用，在含苯之类的烃类气体氛围下，热处理活性炭，通过烃气体的分解析出热解炭，缩小孔径。

活性炭的生产一般包括两大工序：首先对原料进行炭化处理以除去其中的可挥发组分，然后用合适的氧化性气体（水、二氧化碳、氧气和空气）对炭化物进行活化处理，通过开孔、扩孔、创造新孔，进而形成发达的孔隙结构[6]。

活性炭材料的性能除与原料有关外，还与炭化条件、炭化温度、炭化时间、活化温度、活化时间、活化剂种类以及活载比等有密切的关系。为了使孔隙结构更加丰富，孔径分布更加均匀，在活化过程中可以加人一些化学活化剂。常用的活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类以及一些酸类，目前较成熟的化学活化剂有KOH[7-8]、NaOH、ZnCl2和H3PO4[8-9]等，其中以KOH 作为活化剂制得的活性炭性能最优异。

詹亮[10]等采用KOH 对普通的煤焦活性炭进行改性，制得了比表面积高达3 886 m2·g-1的超级活性炭，大大提高了活性炭的吸附能力。控制活化剂的种类及用量，可以灵活的控制活性炭的吸附特性。

2.2表面化学性质的改性

活性炭的表面化学性质主要由表面的化学官能团、表面杂原子和氧化物决定，其决定了活性炭的化学吸附。活性炭的表面化学官能团有含氧官能团和含氮官能团，含氧官能团又分为酸性含氧官能团和碱性含氧官能团。酸性含氧官能团使活性炭具有极性的性质。因此，仅限于吸附极性较强的化合物。而碱性含氧官能团易吸附极性较弱或非极性物质。

活性炭表面化学性质的不同对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性等都会产生很大的影响[11]。活性炭的表面化学性质改性就是指通过一定的方法改变活性炭吸附表面的官能团及其周边氛围的构造，控制其亲水/ 疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力，使其成为特定吸附过程中的活性点，从而可以控制其亲水/ 疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力。活性炭吸附表面化学性质的改性可以通过表面氧化改性、表面还原改性、负载金属及化合物改性、低温等离子体改性、酸碱改性等进行。改性过程中常常将不同的改性方法结合起来对活性炭进行改性，从而达到更好的改性效果。

2.2.1表面氧化改性

表面氧化改性的主要目的[2]主要是改变活