水處理中活性炭的應(yīng)用

水處理中活性炭的應(yīng)用

水污染已成為全世界的研究重點(diǎn)。人們將各種不同材料應(yīng)用于水處理研究領(lǐng)域,以尋求更有效的方法,提高用水和排水質(zhì)量,減少污染。但近年來,隨著污染物種類的增多,污染成分越來越復(fù)雜,采用常規(guī)水處理方法已不能滿足要求,必須進(jìn)行深度處理。一些作用單一的材料和方法已不適用。所以,來源廣泛且容易再生,能反復(fù)利用的活性炭(AC)得以廣泛應(yīng)用,其強(qiáng)大的吸附能力和良好的機(jī)械強(qiáng)度使它不僅能直接作為優(yōu)良的吸附劑應(yīng)用于水處理中,而且還可以與其他材料聯(lián)合應(yīng)用,作為催化劑及催化劑載體。關(guān)于活性炭基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)和在水處理中的應(yīng)用已見報(bào)道,故只作簡單介紹。重點(diǎn)綜述了現(xiàn)今存在或正在進(jìn)行研究的活性炭應(yīng)用方法,包括活性炭改性和活性炭與膜、微波、TiO2等材料進(jìn)行聯(lián)合使用的方法,并提出了活性炭應(yīng)用方法的研究方向。1活性炭的特性活性炭屬無定型炭,由許多呈石墨型的層狀結(jié)構(gòu)的微晶不規(guī)則地集合而成,具有結(jié)晶缺陷。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)使活性炭在水處理中不僅具有吸附能力,還能起到催化作用。活性炭內(nèi)部有無數(shù)微細(xì)孔隙縱橫相通,其孔徑為1×10-10~1×10-6μm,特別是1×10-10~1×10-9μm的微孔居多,使活性炭具有巨大的比表面積(可達(dá)1000m2/g)。這些物理特性也是活性炭具有強(qiáng)大吸附能力的原因之一?；钚蕴靠梢杂媚绢^、煤、椰殼、鋸末等各種含碳的物質(zhì)經(jīng)一系列工藝過程制得。由不同原料制得的活性炭具有不同的硬度、粒徑大小和比表面積。所以,不同型號活性炭有各自的應(yīng)用領(lǐng)域。如由煙煤制成的活性炭具有從微孔到大孔的各種孔徑,因此,對高分子有機(jī)物有較好的吸附能力;而用椰殼制成的活性炭比表面積很大,但大孔少,所以比較適用于低分子有機(jī)物的吸附?；钚蕴课侥芰Φ拇笮〔粌H與本身性質(zhì)有關(guān),還與被吸附物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、溶解性和離子化程度等有關(guān)。2活性炭的應(yīng)用活性炭按形狀分為粉末活性炭(PAC)和顆?；钚蕴?GAC)。目前溶液的精制脫色和水處理等液相吸附多采用粉末活性炭,以間歇接觸方式進(jìn)行。水處理中也常采用顆粒活性炭,在液相吸附中,顆粒活性炭主要用于固定床、移動床和流動床等處理方式。在凈化給水方面,活性炭不僅對色、嗅去除效果良好,而且對合成洗滌劑也有較高的吸附能力。利用活性炭去除水中大部分有機(jī)物是其重要應(yīng)用之一。此外,活性炭還能有效地去除幾乎無法分解的氨基甲酸酯類殺蟲劑和CODMn等。由于活性炭能有效地去除水中的游離氯和某些重金屬(如汞、銻、錫、鉻等),且不易產(chǎn)生二次污染,所以,常被用于家庭用水及飲用水的凈化處理工藝中。在處理工業(yè)廢水中,活性炭主要用作最后的深度處理。對于石油化工和印染這類COD、BOD含量較高的廢水,活性炭也可用于二級處理組合系統(tǒng)。而制藥廢水由于藥物品種繁多,廢水成分復(fù)雜,相應(yīng)的廢水處理方法也大不相同。多數(shù)情況下需要將幾種處理工藝組合起來,活性炭往往在組合工藝中最后的深度處理中應(yīng)用。另外,活性炭可以與不同的材料聯(lián)合應(yīng)用,組成新的工藝技術(shù),以取得更好的處理效果。3活性炭催化劑活性炭結(jié)構(gòu)中具有結(jié)晶缺陷,使之成為理想的催化劑,同時(shí)活性炭也是理想的催化劑載體,因?yàn)樗袛U(kuò)展的表面積,再加上其巨大的吸附潛能,所有這些物理和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),使活性炭有多種應(yīng)用方法。3.1酸性化合物的測定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(tuán)性質(zhì)及數(shù)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。用O3與NaOH對活性炭改性后,活性炭表面含氧官能團(tuán),尤其是酚類和羧基類基團(tuán)明顯增多;而經(jīng)過硝酸氧化則可顯著增加其表面酸性基團(tuán)的含量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)被處理水的水質(zhì)來確定如何進(jìn)行活性炭表面改性。若用濃硝酸氧化,則活性炭表面酸性基團(tuán)增多,親水性增強(qiáng),這就不利于活性炭對水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有機(jī)物的吸附。因此,以去除有機(jī)污染物為目的的活性炭表面改性的研究方向應(yīng)為:減少表面內(nèi)酯基及羧基等含氧官能團(tuán)的含量,增加活性炭表面的疏水性。白樹林等人利用改性活性炭對水溶液中Cr(Ⅲ)進(jìn)行吸附研究中發(fā)現(xiàn),用HNO3(1:1)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(tuán),獲得較高的陽離子交換量,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,則其表面會產(chǎn)生較多的堿性基團(tuán),獲得較高的陰離子交換容量,對陰離子表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附交換能力。3.2活性炭+超濾膜組合根據(jù)孔的大小,膜一般分為反滲透膜(RO)、納濾膜(NF)和超濾膜(UF)。作為一種新興工藝——活性炭與納濾膜、超濾膜聯(lián)用,被廣泛研究并應(yīng)用于水處理中。此工藝顯著優(yōu)點(diǎn)是能有效的去除水中的病原菌。因此,主要應(yīng)用于飲用水的深度處理,為生產(chǎn)安全優(yōu)質(zhì)飲用水提供了保證?；钚蕴颗c膜聯(lián)用能有效解決單獨(dú)使用膜過濾而引起的膜阻塞和膜污染問題。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(jī)物、無機(jī)物、微生物等在膜表面和膜內(nèi)孔積累,從而極大地延長了膜的使用壽命。而膜的存在又可以克服單獨(dú)使用活性炭的弱點(diǎn),解決活性炭出水中細(xì)菌數(shù)偏高的問題?；钚蕴颗c超濾膜的聯(lián)用,能有效地去除水中的CODMn、溶解性腐殖酸和富敏酸(UV254)和大腸桿菌,尤其是對UV254以及相應(yīng)的消毒副產(chǎn)物有較高的和穩(wěn)定的去除效果。GC/MS分析結(jié)果顯示,經(jīng)該組合處理后,水中有機(jī)物的總譜峰面積減少了71.7%(即由原水的4753919減少到出水的1342992),見表1?；钚蕴颗c納濾膜聯(lián)用能有效地去除進(jìn)水中大部分TOC和Ames致突變物,使Ames試驗(yàn)結(jié)果均呈陰性。董秉直等人對超濾膜與混凝粉末活性炭聯(lián)用所做的研究也表明活性炭與膜的組合不僅可有效地去除溶解性有機(jī)物,還能降低膜過濾的阻力,提高透水量和防止膜污染。此組合是獲得優(yōu)質(zhì)飲用水的有效處理工藝。3.3生物活性炭法在利用微生物進(jìn)行水處理的體系內(nèi),無論厭氧型微生物還是好氧型微生物都可以使用活性炭作為載體與之聯(lián)用,現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)主要有兩種:活性炭厭氧流化床和生物活性炭。厭氧流化床反應(yīng)器適用于高濃度有機(jī)廢水的處理。例如,應(yīng)用于對含酚質(zhì)量濃度為1000mg/L的廢水的處理效果就很好,通過活性炭吸附,微生物分解,酚、CODCr和TOC的去除率可以分別達(dá)到99%,96%和97%。近年來也有人研究出一種新型載體——多孔聚合物載體,雖然處理效果稍好于單純活性炭,但其造價(jià)太高,所以目前活性炭厭氧流化床方法仍有一定應(yīng)用研究空間。生物活性炭是指具有巨大比表面積及發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭,對水中有機(jī)物及溶解氧有很強(qiáng)的吸附特性,將其作為載體,使其成為微生物聚集、繁殖生長的良好場所,在適當(dāng)?shù)臏囟燃盃I養(yǎng)條件下,同時(shí)發(fā)揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用的水處理技術(shù),稱為BAC法。BAC法是活性炭吸附與生物降解的協(xié)同作用,微生物活動對活性炭起到再生作用,能使20%~24%的活性炭得到再生。因此,生物活性炭大大延長了活性炭的再生周期。而活性炭也可減輕廢水中有害物質(zhì)對微生物的影響。目前,采用的BAC法多為好氧活性炭裝置,所以,為保護(hù)裝置內(nèi)良好的好氧條件,可采用臭氧預(yù)氧化。此技術(shù)在歐洲水處理中應(yīng)用很廣,對多種廢水的處理顯示出了良好的處理效果。3.4活性炭法水處理法所謂吸附氧化聯(lián)用就是指活性炭吸附與各種氧化劑氧化聯(lián)用。J.Swietlik等人研究了氧化劑ClO2的添加量對活性炭吸附有機(jī)物的影響,結(jié)果表明即使很小劑量的ClO2也可以顯著影響活性炭對有機(jī)物的吸附能力。一般印染廢水中有毒物質(zhì)含量較多,用生物方法處理有一定困難。所以,吸附氧化法常被用于處理印染廢水。ClO2與活性炭的組合對印染廢水的脫色及CODCr的去除效果均要好于其各自單獨(dú)使用。此外,王九思等人研究的活性炭吸附-化學(xué)氧化組合對印染廢水的處理也收到了良好的效果。此方法所用的氧化劑為Fenton試劑,最終CODCr去除率和脫色率分別高于94%和97%,見表2?；钚蕴吭谒幚磉^程中不僅表現(xiàn)出良好的吸附作用,同時(shí)它還可以起到催化劑和催化劑載體的作用。通過研究發(fā)現(xiàn),活性炭具有分解NaClO的能力,用活性炭作催化劑,NaClO作氧化劑,可以有效地催化氧化處理蒸氨廢水。在適當(dāng)?shù)臈l件下,廢水中的酚的去除率可達(dá)99.5%。而將活性炭作為催化劑載體的載銅活性炭已被研究用于石油污水中CODCr的去除。利用活性炭吸附和銅的催化作用,降低有機(jī)物分解的活化能,再利用曝氣后污水中溶解氧氧化,將其除去,從而實(shí)現(xiàn)去除石油污水CODCr的深度處理。3.5微波輻射預(yù)處理國內(nèi)外對活性炭再生技術(shù)的研究表明,微波輻照是一種比較好的活性炭再生方法。微波加熱使活性炭進(jìn)一步活化,提高吸附容量,用這種方法再生活性炭的時(shí)間短,耗能低,設(shè)備構(gòu)造簡單,具有很好的應(yīng)用前景。微波與活性炭聯(lián)合作用處理有機(jī)污染物廢水效果良好。當(dāng)對含有苯、甲苯、二甲苯和苯酚的溶液進(jìn)行處理時(shí),微波輻射90s,苯、甲苯、二甲苯便被完全分解成CO2和H2O;240s后苯酚被完全分解為CO2和H2O。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在微波輻射下,活性炭粒子間產(chǎn)生弧光并且很快變得火紅,此時(shí)的溫度可達(dá)1200℃以上,在這樣高的溫度下有機(jī)物很快分解成CO2和H2O。有人在研究微波與活性炭聯(lián)用催化降解染料酸性橙Ⅱ溶液時(shí)發(fā)現(xiàn),在出水體積為10L時(shí),脫色率仍高達(dá)95.6%;而在無微波條件下(單獨(dú)活性炭吸附),脫色率僅為37.5%,如圖1?；钚蕴课斤柡秃髥渭兾⒉ㄝ椛鋵λ嵝猿娶蛉芤旱拿撋饔?效果仍很顯著。這充分說明微波輻射對酸性橙Ⅱ溶液的脫色起著重要作用。另外,隨著輸出功率的增大,微波輻射能增強(qiáng),脫色效果也越顯著。但輸出功率過大,反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部溫度過高,影響反應(yīng)器的壽命。經(jīng)研究確定,功率為720W已能滿足需要。3.6間接氧化降解污水中的污水活性炭與電化學(xué)過程聯(lián)用,多數(shù)是把活性炭作為陽極的外延,先利用活性炭進(jìn)行吸附,再通過電解作用進(jìn)行氧化降解,去除污染物質(zhì)。其氧化機(jī)理包括直接氧化和間接氧化兩個(gè)過程。在直接氧化過程中,污染物首先被吸附在陽極表面,然后通過陽極電子遷移作用被直接氧化降解;在間接氧化過程中,電解過程中產(chǎn)生了某些強(qiáng)氧化性物質(zhì),可以將有機(jī)污染物徹底氧化。此外,李乃穩(wěn)等人的研究顯示,活性炭的荷電性對污染物的去除有影響,活性炭荷正電時(shí)對腐殖酸的去除效果要比荷負(fù)電時(shí)好。電解槽技術(shù)常被應(yīng)用于水處理中,如果在其內(nèi)裝有導(dǎo)電性能良好的活性炭作陽極,即成為活性炭固定床電解槽?；钚蕴勘缺砻娣e巨大,吸附能力很強(qiáng),大量污染物先被吸附于活性炭內(nèi)表面,然后再被陽極產(chǎn)生的氧化性產(chǎn)物氧化為無害物質(zhì)。活性炭強(qiáng)大的吸附能力大大提高了氧化性產(chǎn)物的利用效率,在相同的條件下,與普通電解槽相比可節(jié)省電耗30%~40%。KatoIsto等人設(shè)計(jì)的殺滅自來水或地下水中藻類的裝置,也是先利用具有導(dǎo)電性的活性炭對水中污染物和細(xì)菌進(jìn)行吸附,然后再在吸附區(qū)兩端施以電壓電解,結(jié)果顯示處理效果良好。3.7活性炭-ti0光催化劑目前,TiO2光催化劑在脫臭、防污及超親水性處理等實(shí)用方面的研究十分活躍。TiO2-活性炭聯(lián)合試驗(yàn)表明,活性炭可以顯著增強(qiáng)TiO2的光降解能力,加快光降解反應(yīng)的進(jìn)行。這是由于活性炭加速了污染物向TiO2顆粒表面的遷移速率以及降解產(chǎn)物從其表面脫離的速率所致。但從總體來看,此組合對污染物的光催化降解效率并不是非常高。所以,一些研究者利用新技術(shù)將TiO2粒子與活性炭融合成一體,制得活性炭-TiO2光催化劑復(fù)合材料。此材料有很好的光催化活性與吸附作用,所起到的協(xié)同作用要優(yōu)于TiO2與活性炭的物理混合形式。此外,活性炭還可與一些藥劑聯(lián)合使用,如與高錳酸鉀復(fù)合藥劑聯(lián)用去除水中有機(jī)物,在二者相互促進(jìn)作用下,對不同污染程度的原水均表現(xiàn)出優(yōu)良的處理效果。4活性炭的聯(lián)合工藝研究活性炭應(yīng)用于水處理至今,已有了很大發(fā)展,從開始單一活性炭吸附轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的多種工藝方法聯(lián)合應(yīng)用。通過兩種甚至多種材料之間的相互促進(jìn)協(xié)同作用,可以取得更好的處理效果,這種聯(lián)合所起到的作用往往要好于各種單一