活性炭在廢水、廢氣處理中的應用現狀

1、活性炭吸附機理簡(jiǎn)述

活性炭是把有機原料（果殼、煤、木材等）經(jīng)過(guò)隔絕空氣的條件下加熱減少非碳成分（此過(guò)程稱(chēng)為炭化），然后與氣體反應，表面被侵蝕，產(chǎn)生微孔發(fā)達的構造（此過(guò)程稱(chēng)為活化）。由于活化的過(guò)程是一個(gè)微觀(guān)的過(guò)程，也就說(shuō)大量的分子碳化物表面侵蝕是點(diǎn)狀侵蝕的，所以造成了活性炭表面的微孔直徑小，活性炭表面的微孔直徑大多在2-50nm之間，所以，即使是少量的活性炭，也有巨大的表面積（可達3000m2/g）�；钚蕴康囊磺袘�用，幾乎都基于活性炭的這一特點(diǎn)。目前，活性炭主要作為固體吸附劑，應用在化工、醫藥、環(huán)境等方面，用于吸附沸點(diǎn)及臨界溫度較高的物質(zhì)，分子量較大的有機物。在活性炭發(fā)生的主要是物理吸附，大多數是單層分子吸附，其吸附量與被吸附物的濃度服從朗格繆爾方程式。

2、活性炭在廢水處理中的應用的現狀

目前我國的廢水主要是工業(yè)廢水和生活廢水，在2001 年，兩者的排量分別為200億噸和277億噸。大部分的廢水（特別是生活污水）采用的是生物法處理，即利用好氧、厭氧生物來(lái)降解水中的有機物（BOD）。但是，這種方法有它的缺點(diǎn)，首先有些污水含有毒物質(zhì)、難降解物質(zhì)，無(wú)法用生物法來(lái)處理；其次，這種方法的的處理效果有限，一般只能處理到國家地表水質(zhì)量的三級標準。在生物法不足的地方恰恰就是活性炭的用武之地�；钚蕴恐黧w是非極性的，容易吸附有機物；活性炭的吸附效果比較徹底，出水質(zhì)量高�；钚蕴窟�可去除飲用水中的嗅和味，這是生物法無(wú)論如何也應用不到的領(lǐng)域。

2.1近兩年來(lái)活性炭水處理應用方法的研究

2.1.1、活性炭的改性。

活性炭改性就是指用一定的方法處理活性炭使其表面官能團性質(zhì)及數量發(fā)生變化。不同的處理方法可以得到不同的改性活性炭。若用濃硝酸氧化,則活性炭表面酸性基團增多,親水性增強,這就不利于活性炭對水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有機物的吸附。因此,以去除有機污染物為目的的活性炭表面改性的研究方向應為:減少表面內酯基及羧基等含氧官能團的含量,增加活性炭表面的疏水性。有研究中發(fā)現,用ＨＮＯ3氧化的活性炭在300～400℃下進(jìn)行熱處理,其表面可產(chǎn)生較多的酸性基團,獲得較高的陽(yáng)離子交換量,對重金屬離子Ｃｒ(Ⅲ)有很好的吸附交換能力；而若將氧化處理的活性炭在高溫下(800℃以上)灼燒,則其表面會(huì )產(chǎn)生較多的堿性基團,獲得較高的陰離子交換容量,對陰離子表現出較強的吸附交換能力。.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的王勇等人將線(xiàn)型酚醛樹(shù)脂和TiO2混合磨碎,經(jīng)炭化、活化處理后,TiO2粒子與酚醛樹(shù)脂活性炭融合成一體,形成光催化復合材料,用于處理含酚廢水,在紫外線(xiàn)照射下,該材料顯示出有較好的光催化含酚廢水的能力。而含酚廢水在沒(méi)該材料的太陽(yáng)紫外線(xiàn)照射下是不會(huì )自動(dòng)降解的，也不可用生物法降解。這個(gè)發(fā)現對此類(lèi)廢水的處理有重大的環(huán)保意義。

2.1.2、活性炭與膜聯(lián)用。

活性炭與膜聯(lián)用能有效解決單獨使用膜過(guò)濾而引起的膜阻塞和膜污染問(wèn)題。利用活性炭對進(jìn)水進(jìn)行必要的前處理,以減少水中的有機物、無(wú)機物、微生物等在膜表面和膜內孔積累,從而極大地延長(cháng)了膜的使用壽命。而膜的存在又可以克服單獨使用活性炭的弱點(diǎn),解決活性炭出水中細菌數偏高的問(wèn)題。

2.1.3、活性炭作為載體。

首先，活性炭可以作為催化劑的載體�；钚蕴勘旧砭薮蟮谋砻娣e為水中的化學(xué)反應提供了大量的反應場(chǎng)所，增加了反應物碰撞的機會(huì )，加速反應的過(guò)程。也就是說(shuō)，活性炭本身就可作為催化劑。對于某些比重大于水或容易形成沉淀的催化劑（例如某些金屬催化劑），活性炭的存在使這些催化劑可以長(cháng)期與反應物接觸而不被生成物所覆蓋，造成催化劑的失效。這對于含重金屬離子廢水的處理有重要意義。第二，活性炭可以作為分解水中有機物的生物的載體。這是因為活性炭表面吸附了有機物以后，可以成為微生物理想的穩定的生長(cháng)、繁殖場(chǎng)所。而且，利用活性炭作為微生物的載體，可以減少出水中的細菌個(gè)數。其實(shí)，活性炭的這種作用有點(diǎn)類(lèi)似污水生物膜法（例如生物轉盤(pán)），但它比生物膜法具有更大的表面積，更有利于反應充分的進(jìn)行，但是它的氧交換能力不如生物膜法。

2.1.4、活性炭纖維。

傳統的活性炭，包括粒狀活性炭和粉末狀活性炭，在廢水處理中存在裝填松動(dòng)或過(guò)分緊密,操作時(shí)易形成溝槽或沉降,其本身不能起支架作用�；钚蕴坷w維的制作過(guò)程與傳統的相比多了一個(gè)預處理的階段，采用低溫氧化或用無(wú)機鹽浸漬的方法，使原來(lái)有機物的纖維能在炭化和活化之后得以保留。這種活性炭纖維有如下優(yōu)點(diǎn)，吸附量大，脫附的速度快，而且吸附的物質(zhì)濃度下限比活性炭低，也就是說(shuō)吸附比較徹底。因此，它更適合于處理飲用水，去除水中的嗅和味，濾去水中的細菌可達90%。

3、活性炭在廢氣處理中的應用的現狀

總的來(lái)說(shuō)，活性炭這在廢氣處理的方面遠不如廢水處理方面活躍，因為傳統的廢氣處理方法，如電除塵法、旋風(fēng)器除塵法、麻石水膜除塵法等都對廢氣的處理可以達到很好的效果，例如電除塵器去除污染物的可達98%。但這并不代表活性炭在此無(wú)用武之地，活性炭在去除強烈致癌物質(zhì)芳香類(lèi)化合物一度成為人們研究的熱點(diǎn)，而這兩年人們對此僅是作了為數不多的研究，而且研究方向與廢水處理有部分重疊（主要是活性炭纖維的應用）。

3.1活性炭纖維在廢氣處理中的應用。

我國的涂料工業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中用到大量的有機溶劑，主要有三苯(苯、甲苯、二甲苯)、苯乙烯環(huán)己酮、丙酮、松節油,甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、溶劑汽油、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等。這些有機溶劑的揮發(fā)，除了浪費資源以外還嚴重地危害生產(chǎn)工人的健康。金毓荃等用比表面積為1200ｍ2/ｇ。纖維絮片單層厚度2ｍｍ的活性炭纖維處理苯系廢氣，當在濾速為0 20ｍ/ｓ以下時(shí)，活性炭纖維對苯、甲苯、二甲苯及其混合物的凈化效率高達90%以上。另外還有人在二氯甲烷廢氣的治理工程中,設計采用三箱吸附系統,當廢氣流量為10000ｍ3/ｈ,廢氣中二氯甲烷濃度為3000ｍｇ/ｍ3的條件下,設備裝置經(jīng)過(guò)半年時(shí)間,運行狀況一直良好,吸附效率一直保持在97%以上,大大改善了大氣環(huán)境,每年凈收益達75 4萬(wàn)元。而傳統的活性炭吸附去除效率為70%左右。

3.2改性活性炭在廢氣處理中的應用。

眾所周知，我國的能源消耗中煤炭所作的貢獻最大，產(chǎn)生的廢氣也最多。煤炭主要產(chǎn)生SO2和NOX廢氣，這兩種廢氣是酸雨形成的主要原因。我國三大酸雨區中有兩大是屬于煤煙型酸雨，還有一個(gè)（華南酸雨區）是屬于煤煙—汽車(chē)尾氣復合型酸雨，控制煤炭廢氣的排放對我國的環(huán)境有重大意義。改性后活性炭材料的脫硫、脫硝處理效果好，投資運行費用低，且易于再生利用等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的關(guān)注。改性活性炭材料脫硫、脫硝首先是利用活性炭材料的吸附性能將煙氣中的污染氣體SO2和NOX物理吸附于活性炭材料表面，在活性炭材料表面官能團或擔載金屬的催化作用下，將SO2和NOX轉化為SO3和無(wú)污染的N2或Ｏ２。在有水蒸氣存在的情況下，ＳＯ３ 將會(huì )與水結合生成硫酸回收[7]。

3.3活性炭吸附效果影響因素的研究。

有研究表明，用活性碳纖維作為吸附材料，以恒溫恒壓的空氣作載氣,通過(guò)鼓泡法配置一定濃度的醋酸丁酯氣體，當氣速為0 .06ｍ/ｓ時(shí), ACF平衡吸附量近600ｍｇ/ｇ,實(shí)驗結果表明,在溫度、氣體流速、氣體濃度3個(gè)因素中,溫度對ACF的平衡吸附量影響最大,隨著(zhù)溫度的升高，ACF對醋酸丁酯的平衡吸附量下降，傳質(zhì)系數減少，穿透層高度增大[6]。

活性炭吸附法用于低濃度有機廢氣的治理,具有脫除率高、回收方便等優(yōu)點(diǎn)。廢氣中往往混有水蒸汽。致使吸附塔的工作效率降低、運行成本增加,有機溶劑的回收效率下降。浙江大學(xué)環(huán)境工程研究所的高華生通過(guò)采用吸附柱穿透曲線(xiàn)法測定了30℃不同相對濕度(ＲＨ)下4種低濃度有機蒸氣(ＶＯＣ)在活性炭上的等溫吸附量。結果表明,水蒸汽對ＶＯＣ吸附平衡的抑制作用，隨著(zhù)ＲＨ的增大、ＶＯＣ濃度的降低而增大,且隨著(zhù)ＶＯＣ分子極性的增強而有所增大；ＶＯＣ對水蒸汽吸附平衡的抑制作用，隨著(zhù)ＶＯＣ分子極性的增強而有所減弱.提出一個(gè)基于競爭吸附機理的polanyin dubiin方程,解釋空氣濕度對低濃度ＶＯＣ在活性炭上吸附平衡的影響[8]。

3.4活性炭用于控制室內空氣污染。

近年來(lái)，有專(zhuān)家用活性炭制作成工藝品，作為室內的擺設，可吸附室內有毒氣體（主要系房屋裝修產(chǎn)生的甲醛、笨）。據有關(guān)報道，一個(gè)直徑27．8厘米、厚度3厘米的圓盤(pán)，能清除45平方米內9種有毒有害氣體。該專(zhuān)利的產(chǎn)品名稱(chēng)叫黑鉆金烏炭雕。

4、活性炭在環(huán)科中的應用發(fā)展的前景展望。

A、由前面的論述可見(jiàn)，活性炭近年在環(huán)科的應用進(jìn)展緩慢，但從上面的研究結果來(lái)看，活性炭的工藝的改進(jìn)為以后發(fā)展埋下伏筆，以后研究的投入可能會(huì )加快。

B、研究的重點(diǎn)有四個(gè)方向：

一、活性炭纖維在廢水、廢氣處理中的應用�；钚蕴坷w維比傳統的活性炭吸附效率高，再生速度快，比例高，有一定的市場(chǎng)前景。近期的研究估計會(huì )集中在活性炭纖維在吸附含有機物廢氣的效率及適用范圍。

二、改性活性炭在廢水、廢氣處理中的就用。改性后的活性炭比傳統的活性炭適用范圍有所改變，可能會(huì )引起活性炭應用工藝的變革。

三、活性炭工藝與其它手段的結合。在這里，活性炭起的是輔助性的作用，主體是生物法、催化劑的應用等。但這一領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間，發(fā)展勢頭難以估量。

四、活性炭在室內污染控制的應用。這是活性炭民用化的開(kāi)端，上面提到的黑鉆金烏炭雕還是國內首例，未有同類(lèi)產(chǎn)品。據聞2005年中國十大投訴熱點(diǎn)之首是房屋質(zhì)量問(wèn)題，其中敏感的問(wèn)題就是室內異味（其實(shí)就是裝修產(chǎn)生的有毒氣體）。所以，這方向的應用有望成為市場(chǎng)發(fā)展的新焦點(diǎn)。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)