活性炭在水处理中的应用

活性炭在水处理中的应用

1活性炭吸附法活性物质表面的物理吸附性能主要与活性物质的比表和间隙结构有关。活性炭孔壁的总表面积一般高达500~1700m2/g,与其他吸附材料相比,具有小微孔(半径为<0.02nm)特别发达的特征,这也是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。其中小微孔决定了活性炭的总比表面积;过渡孔(半径为0.02~1nm)起着重要的通道作用;大微孔(半径为1~100nm)则是该吸附材料微观体系的入口。活性炭表面的化学性质主要由表面的化学官能团的种类与数量、表面杂原子和化合物确定。活性炭表面官能团一般分为含氧官能团和含氮官能团。含氧官能团主要有酚羟基、羧基、羰基、内酯基、嘧啶等;含氮官能团可能存在形式有酰胺、酰亚胺、乳胺基、类毗咯基等。含氧官能团又分为酸性和碱性含氧官能团,酸性基团有羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基及环式过氧基等,其中羧基、酚羟基及内酯基为主要酸性氧化物,碱性表面的获得一般归因于表面酸性化合物的缺失或碱性含氧、氮官能团的增加。2用碳硅处理2.1粉末活性炭当前,我国城市自来水厂一般采用的是氯氧化消毒工艺,该项工艺在保证饮用水水质方面起到了重要作用,但它不能有效地去除水源水中微量可溶性有机污染物,并且其氯化消毒工艺过程中又产生了许多卤代有机物,其中有许多为致癌、致畸、致突变的三致物质。张林军等在粉末活性炭在净水工程中的应用中得出,粉末活性炭对降低受污染源水的色度、挥发酚、臭和味等有很好的作用,对CODMn也有较好的去除效果。刘白仓等在粉末活性炭吸附去除原水中有机物的研究中得出,经粉末活性炭吸附后原水中的环境优先控制有机物的种类并没有减少,但总量明显降低,去除率为83%,认为投加粉末活性炭是去除环境优先控制有机物的关键措施。2.2活性炭吸附法活性炭在工业废水处理中的应用很广泛。田园等针对橡胶促进剂生产废水有机毒物含量高、成分复杂等特点,采用颗粒活性炭对其进行低浓度的吸附研究表明,废水COD平均去除率达68%。张晓璇等利用活性炭吸附焦化废水生物处理尾水中残留的长链烃、卤代物、多环芳烃等难降解有机物,得出酚羟基、羧基等极性基团含量少的活性炭或其他非极性有机吸附剂适合于处理该类废水。在城市污水处理中,活性炭的应用有两种方式:其一是城市污水的三级处理;其二是用于城市污水的物理化学处理,即化学混凝沉淀处理后,再用活性炭吸附,也有在混凝沉淀、过滤、消毒后,再用活性炭吸附。2.3mbr处理工艺技术的应用混凝—活性炭吸附工艺在净水工程中的应用。地表水的前提有机物主要是腐殖酸和富里酸,它们与水形成大分子胶体溶液,经混凝处理可有效地去除。活性炭吸附则能有效去除水中致突变前体物,因而对致突变前体物含量较高的水源水来说,活性炭吸附是保证饮水安全的重要工艺。臭氧—生物活性炭技术可以使水中一些原来不易生物降解的有机物变成可生物降解有机物。乔铁军等研究了深圳市梅林水厂臭氧/生物活性炭工艺的运行效果,生物活性炭滤池出水的浊度<0.10NTU,粒径>2μm的颗粒数可以降低到50个/mL;对色度及嗅味的去除效果显著,出厂水的嗅阈值<10,远低于砂滤出水的100;臭氧氧化和活性炭过滤对CODMn的去除效果比较明显,在砂滤出水的基础上可再降低10%~62%(平均为34%);生物活性炭出水UV254值远低于砂滤出水,对其平均去除率为73%。朱亮等在MBR中试的基础上,向MBR反应器中投加粉末活性炭(PAC)构成MBR/PAC组合工艺并处理污水厂尾水。PAC能吸附并降解易引起膜污染的有机物,有效降低了膜污染,减缓了过膜压力的增长趋势,保护了膜组件,并且运行效果良好,MBR/PAC系统的出水,处理效果优于MBR系统。另外,工业上还使用其他药剂与活性炭联合去除污染物,取得较好效果。SabirHussain等投加石灰石和活性炭的混合物,处理合成纤维废水中的氨氮,当石灰石和活性炭比例为25∶15时,可以去除58%的氨氮,同时还节约了处理的成本。3问题和讨论3.1活性炭去除有机物的效果根据资料,相对分子质量1000、3000、10000、和30000的超滤膜所对应的平均孔径分别为12、13、15和22Å。聂莉等试验得出,粉末活性炭几乎去除了全部相对分子质量<900的有机物,对900~3500区间的有机物也有很好的去除效果,但对相对分子质量>7000的有机物几乎没有去除。乔春光等试验得出活性炭滤池对相对分子量为3000~10000的水体溶解性有机物(DOM)有较为有效的截留,而对相对分子量<1000的有机物处理效率有限。活性炭与沸石的同时使用可以更有效的去除水体中有机物,因为活性炭为疏水、非极性表面的吸附材料,对于大部分极性短链有机物以及大部分极性短链含氧有机物的前体物去除效果很差;沸石则为亲水、极性表面的吸附材料,它对上述物质均具有良好的去除效果。活性炭的孔可分为:一级微孔(<8Å)和二级微孔(8~20Å),中孔(20~500Å)和大孔(>500Å),微孔在活性炭中占绝对数量。根据对水体有机污染物的分子量区间的分析,选择合适材质的活性炭,如:椰壳炭(微孔多),杏壳炭(中孔多)等。3.2活性炭吸附水中有机物的筛选根据资料碘值表征孔径为10Å<d<14Å,亚甲蓝值为15Å<d<28Å,活性炭的细孔两者大体上代表了活性炭95%表面面积。岳舜琳等指出在评价活性炭的吸附性能时,需要考虑其粒度对有机物去除的影响,验证了活性炭的粒度与吸附水中有机物的负相关关系;在评价活性炭吸附水中有机物的相关性时,要用碘值及亚甲蓝值之和。丁桓如等研究发现,活性炭的比表面积、碘值、亚甲基蓝吸咐值等一般吸咐性能指标与活性炭对天然水中有机物的吸咐能力之间相关性能不好,在选择去除天然水中有机物的活性炭时不能用这些指标,提出采用测量活性炭对水中四种典型有机物(腐殖酸、富里酸、木质素、丹宁)的吸附容量和吸附速度方法,反映活性炭对天然水中有机物吸附性能的好坏,用于筛选吸附天然水中有机物的水处理用活性炭。因此需根据处理对象的有机物形态,来选择适当的吸附性能指标,对活性炭进行筛选,以免造成浪费。3.3表面活性剂的化学改性3.3.1活性炭表面改性活性炭属于非极性吸附材料,由于它的疏水性,使它能在水溶液中有效地吸附各种非极性有机物质,但在水溶液中吸附具有一定极性的污染物就有困难。活性炭表面官能团使活性炭与吸附质分子发生化学作用,显示出活性炭的选择吸附性,使活性炭表面呈现很高的活性,因此可以对活性炭表面进行改性。范延臻等研究发现,通过硝酸氧化可以增加活性炭表面酸性基团的含量,致使活性炭表面的亲水性增强,而去除水中的有机污染物为目的的活性炭表面改性的研究方向应为:减少表面内酯基及羧基等含氧官能团的含量,增加活性炭表面的疏水性。SuWei等用HF或NH3·H2O处理活性炭会增强其对氢吸附的性能。3.3.2含氧酸性物发生的活性炭吸附法刘守新等研究表明,HNO3液相氧化处理可使活性炭表面生成带正电含氧酸性官能团,然后利NaOH使活性炭表面酸性官能团H+部分被Na+取代,使活性炭表面酸性降低,得到表面较多的含氧酸性官能团和适宜的表面pH值的活性炭,其吸附Cr6+的性能大大提高。ChenPaulJ等使用柠檬酸对活性炭进行改性,研究结果表明,当吸附达到平衡时,用柠檬酸进行改性的活性炭比未改性的活性炭吸附水中铜离子效率高140%,大幅提高了活性炭对水中铜离子的吸附效果。3.4活性炭的再生技术刘辉等采用生物活性炭(BAC)对微污染原水进行了处理,试验表明,采用碘值与亚甲蓝值作为炭柱运行的控制指标是欠妥的,应该根据活性炭在这一工艺中所起的作用来确定失效指标,可将对CODMn、UV254的去除率作为判断活性炭运行是否失效的两个重要指标。活性炭的再生技术既能节约成本又能避免废弃活性炭对环境造成污染,同时活性炭解吸后能获得有价值的吸附质,具有一定的经济效益。EwaOkoniewska等研究表明,用KMnO4溶液再生吸附Mn(II)达到饱和的活性炭时,当KMnO4溶液浓度为6.4%,浸渍时间为1h时,去除水中的Mn(II)效果,较其他浸渍浓度再生的活性炭去除效果好。目前颗粒活性炭的再生技术较好,有关粉末活性炭再生分离的技术较少报道。4活性炭的选择活性炭是一种吸附性能良好的吸附剂,具有稳定的物理化学性能、机械强度高、使用失效后易再生等特点,在水处理应用中需注意:(1)不同材