活性炭吸附技術在污水處理中的應用

活性炭作為一種比較特殊的碳質材料，以其發達的孔隙結構、巨大的比表面積、良好的穩定性質、很強的吸附能力以及優異的再生能力，被廣泛應用于環保等各個領域，文章將著重介紹活性炭吸附技術在水處理中的應用。
1. 活性炭的物理化學特性
1.1 活性炭（AC） 活性炭是常用的一種非極性吸附劑，性能穩定，抗腐蝕，故應用廣泛。它是一種具有吸附性能的炭基物質的總稱。把含碳的有機物質加熱炭化，去除全部揮發物，在經藥品（如ZnCl2 等）或水蒸汽活化，制成多孔性炭素結構吸附劑。活性炭有粉狀和粒狀兩種，工業上多采用粒狀活性炭。由于原料和制法的不同，其孔徑分布不同，一般分為：碳分子篩，孔徑在10×10-10m 以下；活性焦炭，孔徑20×10-10 以下；活性炭，孔徑在50×10-10m 以下。
1.2 活性炭纖維（ACF） 活性炭纖維是一種新型吸附功能材料，它以木質素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料，經炭化和活化制的。與活性炭相比較特有的微孔結構，更高的外表面和比表面積以及多種官能團，平均細孔直徑也更小，通過物理吸附以及物理化學吸附等方式在廢水、廢氣處理、水凈化領域得到了廣泛應用。纖維狀活性炭微孔體積占總孔體積90%左右，其微孔孔徑大部分在1nm 左右，沒有過度孔和大孔。比表面積一般為600～1200m2/g，甚至可達3000m2/g。活性炭纖維脫附再生速率快，時間短，且其性能不變，這一點優于活性炭。與活性炭一樣，活性炭纖維吸附時無選擇性，主要用于吸附有機污染物，一般用于煉油廠綜合廢水處理。
2. 活性炭的吸附作用與吸附形式
2.1 活性炭處理活性炭處理指利用活性炭作為吸附劑和催化劑載體的有關過程。主要應用于生活飲用水深度凈化，城市污水處理，工業廢水的處理。
2.2 吸附作用與吸附形式
將溶質聚集在固體表面的作用稱為吸附作用。活性炭表面具有吸附作用。吸附可以看成是一種表面現象，所以吸附與活性炭的表面特性有密切關系。活性炭有巨大的內部表面和孔隙分布。它的外表面積和表面氧化狀態的作用是較小的，外表面是提供與內孔穴相通的許多通道。表面氧化物的主要作用是使疏水性的炭骨架具有親水性，使活性炭對許多極性和非極性化合物具有親和力。活性炭具有表面能，其吸附作用是構成孔洞壁表面的碳原子受力不平衡所致，從而引起表面吸附作用。
活性炭的吸附形式分為物理吸附和化學吸附。物理吸附時通過分子力的吸附，即同偶極之間的作用和氫鍵為主的弱范德華力有關。它有足夠的強度，可以捕獲液體中的分子。物理吸附是分子力引起的，吸附力較小。物理吸附需要活化能，可在低溫條件下進行。這種吸附時可逆的，在吸附的同時，被吸附的分子由于熱運動會離開固體表面，這種現象稱為解吸。化學吸附與價鍵力相結合，是一個放熱過程。化學吸附有選擇性，只對某種或幾種特定物質起作用。化學吸附不可逆，比較穩定，不易解吸。活性炭的吸附過程分為三個階段。首先是被吸附物質在活性炭表面形成水膜擴散，稱為膜擴散，然后擴散到炭的內部孔隙，稱為孔擴散，最后吸附在炭的孔隙表面上。因此，吸附速率取決于被吸附物向活性炭表面的擴散。在物理吸附中，炭粒孔隙內的擴散速度和炭粒表面上的吸附反應速度，主要同前兩項有關。
3. 活性炭吸附技術在水處理中的應用
3.1 活性炭吸附技術應用于水處理中的概況
實踐證明，活性炭是用于水和廢水處理較為理想的一種吸附劑，研究活性炭用于水和廢水處理已有十年的歷史。近二十年來，由于活性炭的再生問題得到了較為滿意的解決，同時，活性炭的制造成本也有了降低，活性炭吸附技術在國內外才逐漸推廣使用，目前使用最多的是三級廢水處理和給水除臭。20 世紀60 年代初，歐美各國開始大量使用活性炭吸附水源凈化的有效手段。我國20 世紀60 年代已將活性炭用于二硫化碳廢水處理，自70 年代初以來，粒狀活性炭處理工業廢水，不論在技術上，還是在應用范圍和處理規模上都發展很快。在煉油廢水、炸藥廢水、印染廢水、化工廢水、電鍍廢水等處理都已在生產上形成較大規模的應用，并取得了滿意的效果。
3.2 活性炭在水和廢水處理中的應用
活性炭有不同的形態，目前在水處理上仍以粒狀和粉狀兩種為主。粉狀炭用于間歇吸附，即按一定的比例，把粉狀炭加到被處理的水中，混合均勻，藉沉淀或過濾將炭、水分離，這種方法也稱為靜態吸附。粒狀炭用于連續吸附，被處理的水通過炭吸附床，使水得到凈化，這種方法在形式上與固定床完全一樣，也稱為動態吸附。能被活性炭吸附的物質很多，包括有機的或無機的，離子型的或非離子型的，此外，活性炭的表面還能起催化作用，所以可用于許多不同的場合。活性炭對水中溶解性的有機物有很強的吸附能力，對去除水中絕大部分有機污染物質都有效果，如酚和苯類化合物、石油以及其他許多的人工合成的有機物。水中有些有機污染物質難于用生化或氧化法去除，但易被活性炭吸附。由于活性炭吸附處理的成本比其他一般處理方法要高。所以當水中有機物的濃度較高時，應采用其他較為經濟的方法先將有機物的含量降低到一定程度在進行處理。在廢水處理中，通常是將活性炭吸附工藝放在生化吹得后面，稱為活性炭三級廢水處理，進一步減少廢水中有機物的含量，去除那些微生物不易分解的污染物，使經過活性炭處理后的水能達到排放標準的要求，或使處理后的水能回到生產工藝中重復使用，達到生產用水封閉循環的目的。活性炭吸附有機物的能力是十分大的，在三級廢水處理中，每克活性炭吸附的COD 可達到本身質量的百分之幾十。在廢水處理廠中增加了三級廢水處理能使BOD 的去除效果達到95%。活性炭以物理吸附的形式去除水中的有機物，吸附前后被吸附的性質并未變化，如果能采用適當的解吸方法，還能回收水中有價值的物質。如果把粉狀活性炭投入爆氣設備中，炭粉與微生物形成了一種凝聚體，可使處理效果超過一般的二級生物處理法，出水水質接近于三級處理。此外，還能夠使活性炭污泥變得縝密和結實，降低出水渾濁度，提高二級處理的水力負荷。粉狀炭可以間斷地加入，對于現有的二級處理廠可在不增加三級處理投資的情況下，提高處理效果。
3.3 粉狀活性炭在給水處理中的應用
粉狀活性炭在給水處理中的應用已有 70 年左右的歷史。自從美國首次使用粉狀活性炭去除氯酚產生的臭味以后，活性炭成為給水處理中去除色、嗅、味和有機物的有效方法之一。國外對粉狀活性炭吸附性能做的大量研究表明：粉狀活性炭對三氯苯酚、農藥中所含有機物，三鹵甲烷及前體物以及消毒副產物三氯醋酸、二氯醋酸和二鹵乙腈等均有很好的吸附效果，對色、嗅、味的去除效果已得到公認。粉狀活性炭在歐洲、美國、日本等地的應用很普遍，美國20 世紀80 年代初期每年在給水處理中所用粉狀活性炭約25 萬噸，且有逐年增加的趨勢。我國20 世紀60 年代末期開始注意污染水源的除嗅、除味問題。粉末活性炭在上海、哈爾濱、合肥、廣州都曾試用過。粉狀活性炭應用的主要特點是設備投資低，價格便宜，吸附速度快，對短期及突發性水質污染適應能力強。自來水廠中應用粉狀活性炭吸附技術，是一項非常有前景的技術。但是，由于未能很好地解決該技術在應用方面存在的局限性，仍然難以發揮粉狀活性炭技術的優勢，導致該技術應用不能達到實際效果。在自來水廠中的應用必須解決理論依據和應用兩大類問題。理論上應解決的問題主要有以下幾個方面：
1.根據水廠原水的水質狀況，特別是有機物分子量的分布狀況，確定投加粉狀活性炭的炭種和不同炭種活性炭對有機物去除效果的影響；
2.根據水廠的實際水質情況，確定合適、合理的投加點及投加方式，以解決粉狀活性炭與混凝劑吸附競爭的矛盾，提高粉狀活性炭使用效率。
3.4 顆粒活性炭在飲用水深度處理中的應用
由于活性炭對水中微量有機污染物具有優良的吸附特性，早在20 世紀20 年代初，國外就開始用粉狀活性炭去除水中的臭和味。1930 年第一個使用顆粒活性炭吸附池除臭的水廠建于美國費城，在20 世紀60 年代末70 年代初，由于煤質顆粒炭的大量生產和再生設備的問世，發達國家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機物的研究工作，對飲用水進行深度處理，顆粒活性炭凈化裝置在美國、歐洲、日本等國陸續建成投產。美國以地面水為水源的水廠已有90%以上采用了活性炭吸附工藝。目前世界上有成百座用顆粒炭吸附的水廠正在運行。國外目前在給水處理中最常用的是降流式活性炭吸附池，據報道最大單池面積達160m2,單層炭層厚度為0.7～2.5m，空床接觸時間6～20min，大多數采用壓縮空氣和水聯合沖洗。