活性炭纖維在水處理中的應(yīng)用新進(jìn)展

活性炭纖維在水處理中的應(yīng)用研究新進(jìn)展摘要：介紹了活性炭纖維（ACF）在水質(zhì)凈化、廢水處理中的作用，總結(jié)了ACF在去除水中有機(jī)污染物、凈化受污染地下水、去除重金屬、殺滅細(xì)菌以及在處理制藥廢水、酚類廢水、染料灰水、造紙黑液、有機(jī)廢水和高價重金屬離子廢水的研究現(xiàn)狀。指出了ACF在水處理應(yīng)用中的4個重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵字：活性炭纖維水處理凈化吸附NewProgressesInAppliedResearchonActivatedCarbonFiberinWaterTreatmentAbstract：TheeffectsofactivatedCarbonfiber（ACF）inWaterpurificationandWastewatertreatmentareintroduced，andthecurrentsituationofthestudyonACFinremovingorganicpollutantsinwater，purifyingpollutedgroundwater，removingheavymetals，sterilization，aswellasinthetreatmentofwastewaterfrompharmaceuticalindustry，phenol－bearingwastewater，wastewaterfromdyestuffindustry，blackliquorfrompapermakingindustry，organicwastewaterandwastewaterwithhigh－valenceionsaresummarized.FourkeyaspectsoftheresearchintheuseofACFinwatertreatmentarepointedout.

Keywords：activatedcarbonfiber；watertreatment；purification；adsorption活性炭纖維（activatedcarbonfiber，ACF）是繼粉狀活性炭（PAC）和顆粒活性炭（GAC）之后的第三代活性炭產(chǎn)品，是隨著碳纖維工業(yè)發(fā)展起來的一種新型碳材料。20世紀(jì)60年代初，在碳纖維研究基礎(chǔ)上研制出活性炭纖維。20世紀(jì)70年代，逐漸開始活性炭纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。ACF是由有機(jī)纖維原料經(jīng)炭化、活化而成。根據(jù)生產(chǎn)中前驅(qū)體的不同，ACF主要分為粘膠基ACF、酚醛基ACF、聚丙烯睛基ACF（PAN－ACF）。瀝青基ACF（pitch－ACF）等。

CF與PAC、GAC等炭材料相比，孔徑分布狹窄而均勻，微孔體積占總孔體積的90％左右，微孔孔徑大多在1nm左右，沒有大孔和過渡孔。ACF還有一定量的表面官能團(tuán)，對水溶液中的有機(jī)物和重金屬離子等有較大的吸附容量和較快的吸附速率，并且容易再生。采用ACF處理原水或廢水，可大大減小處理裝置的體積，提高處理效率。對于有回收價值的污染物，可通過ACF富集，加以回收，實(shí)現(xiàn)資源化。尤為重要的是，ACF對低濃度吸附質(zhì)，即使對痕量級吸附質(zhì)仍保持有很高的吸附量，而GAC往往在低濃度時吸附能力大大降低［l］。ACF還可根據(jù)需要加工成纖維束、氈、布、紙以及其它形態(tài)，這樣便于工程應(yīng)用和工藝的簡化。因而其在水處理中有較廣泛的應(yīng)用。

下面就介紹一下最近幾年國內(nèi)外在這方面的研究進(jìn)展。1水質(zhì)凈化1.1水源水中有機(jī)微污染物的去除

孫治榮等［2］研究了幾種ACF去除水中微污染物的效果，其中一種ACF1對CODmn，Euv254，CCl4有較好的去除效果，而另一種ACF3對CHCI3的去除效果最好。當(dāng)CHCI3的平衡質(zhì)量濃度為60μg／L時，ACF3對CHCI3的吸附容量為212μg／g。C.Brasquet等［3］研究了活性炭纖維對苯酚和腐植酸的吸附。ACF對苯酚吸附效果很好，吸附容量為130mg／g；而對腐植酸幾乎不吸附。

1.2三鹵甲烷（THMS）和鹵代烴的去除

JunWenLi等［4］研究了活性炭纖維和顆粒活性炭對氯化消毒副產(chǎn)物——三鹵甲烷（THMS）的吸附。研究發(fā)現(xiàn)，ACF的吸附容量大約是GAC的兩倍，且隨著THMS憎水性增大或溴取代的增多而增大。

安麗等［5］研究了活性炭纖維吸附水溶液中痕量（μg/L級）三氯甲烷和四氯化碳。結(jié)果表明，ACF與GAC相比，無論在吸附速率還是吸附容量上，ACF均有明顯的優(yōu)勢。

1.3受污染地下水的凈化

對于嚴(yán)重污染的地下水必須加以處理，才能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。Jya－Jyunyu等［6］研究了用活性炭纖維吸附修復(fù)受有機(jī)氯化物污染的地下水。大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）（包括三氯乙烯（TCE），四氯乙烯（PCE），1，1，2一三氯乙烷（1，1，2－TCA），1，1－二氯乙烯（1，l－DCE）很容易吸附在ACF上，從而從水中去除這些VOCs。在VOCs的質(zhì)量濃度為1000－1500μg／L的溶液中，ACF—15對1，1—DCE，TCE，PCE，1，1，2－TCA的吸附容量分別為37.5，62.5，81.0，40.0mg／g。ACF—15對這些VOCs的吸附容量至少是GAC的2倍。與GAC相比，ACF1提供了更快的吸附速度。

1.4重金屬的去除

C.Four－Brasquet等［7］發(fā)現(xiàn)，ACF能有效地從水中去除重金屬污染。CU2＋，Ni2十和Pb2+的單組分平衡吸附容量在0.080～0.175mmol／g之間，這些值遠(yuǎn)大于GAC對這些金屬離子的吸附容量。

為了增加ACF對重金屬的吸附容量，可以對ACF進(jìn)行改性。J.R.Rangel－Mendez等［8］用經(jīng)硝酸、臭氧和電化學(xué)氧化處理的PAN—ACF吸附Cd（Ⅱ）。氧化后PAN－ACF的表面積減少，但離子交換能力是未處理前的3.5倍，尤其使電化學(xué)處理后的ACF攝入Cd（Ⅱ）的能力是未處理前的13倍。

1.5殺滅細(xì)菌

陳水挾等［9］研究發(fā)現(xiàn)：載銀ACF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有很強(qiáng)的殺滅能力，經(jīng)其處理后，水中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌被完全殺滅。陳水挾等［10］最近研究成果表明，載銀磷酸活性劍麻基ACF具有銀用量少，作用時間短，抗菌效率高，抗菌效果持久等優(yōu)點(diǎn)。2廢水處理2.l制藥廢水

徐中其等［11］研究了氯霉素生產(chǎn)所排放硝基廢水的吸附處理。ACF對硝某化合物的表觀平衡吸附容量為214mg／g，是GAC的3－4倍。在動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，流速控制在2.5mL／min時，對幾百mg／L的硝基廢水一次過柱就可達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。用高溫電加熱再生效果顯著，經(jīng)過多次再生重復(fù)使用，吸附能力無明顯變化。

2.2酚類廢水

C.Brasquet等［12］研究了兩種ACF（CS1501和RS1301）和GAC對苯酚、4-氯苯酚、4-硝基苯酚和2-叔丁基-4-甲基苯酚的吸附。結(jié)果表明，ACF對苯基化合物吸附速度大于GAC，吸附容量與GAC相似或比GAC大。

姜軍清等［13］采用ACF處理苯酚模擬廢水實(shí)驗(yàn)表明，ACF對苯酚的吸附容量為275.1mg／g，吸附速度快，但在堿性條件下不利于苯酚的吸附。吸附飽和的ACF用10％的NaOH溶液再生，重復(fù)使用三次，吸附效率無明顯變化。

2.3染料廢水

陳中穎等［14］研究了PAN-ACF、粘膠基ACF和GAC對陽離子艷紅5GN、弱酸性紅、堿性藏花紅、分散紅3B、活性艷紅X-3B的吸附。結(jié)果表明，ACF對上述5種染料都具有較大的吸附容量和較快的吸附速度。陳水挾等［15］發(fā)現(xiàn)：劍麻基ACF可以有效地去除水中的亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫、澳酚藍(lán)等染料，其吸附量大，去除效率高，有的幾乎可達(dá)100％去除率。

JnpingJia等［16用ACF電極電解處理多種模擬染料廢水。結(jié)果表明，在電壓25V，pH值7.15～7.85和0.5g／LNa2SO4的條件下去除效果較佳。實(shí)驗(yàn)中幾乎所有的染料廢水的脫色率大于90％，CODcr去除率在40%～80%之間。

ZheminSh，n等［17］用ACF電極電解降解29種染料。研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有染料溶液都能有效脫色，具有-SO3-，COO-，SO2NH2·和-OH等親水基團(tuán)和含偶氮的染料易被分解，而具有-C＝O，-NH-和芳香團(tuán)等憎水基團(tuán)的染料易被吸附和絮凝。

2.4造紙黑液

賈金平等［18］進(jìn)行了ACF電極法電解處理造紙黑液的應(yīng)用研究。研究發(fā)現(xiàn)，在pH值7左右和電解80min的條件下，CODcr、色度去除率分別達(dá)64.25％和94％。黑液經(jīng)酸析及聚鋁絮凝預(yù)處理后進(jìn)行ACF電極電解，可進(jìn)一步提高CODcr及色度去除率。采用“酸化十電解（45min）＋Fenton試劑（60min）的綜合治理方案，上述去除率可分別達(dá)94.2％和99.06％，出水近乎清澈透明。

2.5有機(jī)廢水

徐詠藍(lán)等［19］研究了活性炭纖維電極在低的電流密度（＜10mA／cm2）和低的電解質(zhì)濃度（0.07mol/L）的條件下對水楊酸的在線降解。結(jié)果表明，電解12h后，水楊酸降解率可達(dá)80％以上。

2.6高價重金屬離子廢水

R.Fu等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下，ACF對Pt（Ⅳ）有很好的還原吸附性能，吸附容量達(dá)500mg／g。曾戎等［21］研究了劍麻基ACF對Ag+的吸附研究發(fā)現(xiàn)，劍麻基ACF對Ag+有較好的還原吸附性能（吸附容量為83.5mg／g），經(jīng)磷酸活化和熱處理可使其吸附容量增大近一倍，達(dá)163.2mg／g。陳水挾等［22］用經(jīng)無機(jī)氧化劑改性的ACF吸附Ag+，發(fā)現(xiàn)改性的ACF在堿性條件下對Ag十的還原吸附容量大大提高，達(dá)550mg／g。3展望目前，ACF在水處理工程上的應(yīng)用多限于小型裝置，有不少處于小試階段，尚無大型裝置應(yīng)用的報道。處理裝置多采用反ACF填充到吸附床的裝填方式，采用兩床半連續(xù)工藝運(yùn)行。ACF表面常帶有不少含氧基團(tuán)，因此，ACF適于吸附水中具有吸電子基團(tuán)或雜原子的化合物或疏水性化合物或重金屬離子。ACF具有優(yōu)異的吸附性能，可以處理各種濃度的原水或廢水。但從經(jīng)濟(jì)角度；ACF處理微污染的原水或較低濃度的廢水較經(jīng)濟(jì)。ACF微孔孔徑較小，所以通常只能吸附較小分子物質(zhì)，而不能吸附大分子物質(zhì)。

限制ACF廣泛應(yīng)用的一個重要因素是ACF價格較高。隨著ACF制造工藝的不斷改進(jìn)，特別是當(dāng)民用大絲束生產(chǎn)ACF技術(shù)的成熟，必將進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。這樣也會推動ACF更廣泛的應(yīng)用，使ACF在水處理中發(fā)揮越來越大的作用。

筆者認(rèn)為，今后ACF在水處理中的應(yīng)用研究應(yīng)在以下四個方向加人開發(fā)力度：

3.1具有獨(dú)特功能的ACF研發(fā)

通過對ACF進(jìn)行前處理或后處理改性，賦予其獨(dú)特的性能。通過油處理在原料中添加助劑后再活化，制成中孔或大孔ACF，從而有效吸附水中大分子污染物。還可通過在ACF上負(fù)載金屬使其具有催化氧化、殺滅細(xì)菌等功能，進(jìn)一步擴(kuò)大其在水處理中的應(yīng)用范圍。

3.2新型吸附器的設(shè)計

目前的填充床吸附器一般采用半連續(xù)操作。這種操作的缺點(diǎn)之一是ACF吸附快要飽和時，特別當(dāng)進(jìn)水污染物濃度波動較大時，出水水質(zhì)較難保證，給操作帶來困難。故應(yīng)盡快開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)吸附質(zhì)自動脫附的新型吸附反應(yīng)器，從而既克服了填充床吸附器的缺點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，提高操作的自動化程度。

3.3水質(zhì)凈化和廢水深度處理

由于ACF對低濃度污染物優(yōu)異的吸附性能，故特別適用于去除mg／L，μg／L級乃至更低濃度的水中有機(jī)物和重金屬離子，因此在水質(zhì)凈化和廢水深度處理中的應(yīng)用前景非常光明。

3.4ACF吸附與其它處理技術(shù)復(fù)合

任何技術(shù)都有局限性的，ACF也不是萬能的。因此，它有時須與其它技術(shù)復(fù)合，才能發(fā)揮出極佳的處理效果。ACF與臭氧氧化和生化處理技術(shù)復(fù)合，可利用臭氧的中越氧化能力將較大分子的污染物降解為小分子的有機(jī)物，然后再吸附在ACF上，最后利用ACF上的微生物徹底降解污染物?；钚蕴坷w維電極電解法，則是充分利用了ACF優(yōu)異的吸附性能和電化學(xué)氧化作用。另外，在ACF上負(fù)載光催化利，或?qū)⑽胶凸獯呋趸昝赖慕Y(jié)合起來。也解決了ACF的再生問題。參考文獻(xiàn)：［1］楊同華.碳素材料［M］。北京：中國物資出版社，1999

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