摘要：本文將著重講述活性炭的特性以及活性炭吸附作用在水處理中的應(yīng)用情況。
1.引用
活性炭作為一種比較特殊的碳質(zhì)材料，以其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、良好的穩(wěn)定性質(zhì)、很強(qiáng)的吸附能力以及優(yōu)異的再生能力，被泛應(yīng)用于環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域，文章將著重介紹活性炭吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用。
2.活性炭的物理化學(xué)特性
2.1 活性炭（AC）
活性炭是常用的一種非極性吸附劑，性能穩(wěn)定，抗腐蝕，故應(yīng)用廣泛。它是一種具有吸附性能的炭基物質(zhì)的總稱。把含碳的有機(jī)物質(zhì)加熱炭化，去除全部揮發(fā)物，在經(jīng)藥品（如ZnC12等）或水蒸汽活化，制成多孔性炭素結(jié)構(gòu)吸附劑。活性炭有粉狀和粒狀兩種，工業(yè)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20×10-10m以下；活性炭，孔徑在50×10-10m以下。
2.2 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(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料，經(jīng)炭化和活化制的。與活性炭相比較特有的微孔結(jié)構(gòu)，更高的外表面和比表面積以及多種官能團(tuán)，平均細(xì)孔直徑也更小，通過(guò)物理吸附以及物理化學(xué)吸附等方式在廢水、廢氣處理、水凈化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(méi)有過(guò)度孔和大孔。比表面積一般為600~1200m2/g，甚至可達(dá)3000m2/g。活性炭纖維脫附再生速率快，時(shí)間短，且其性能不變，這一點(diǎn)優(yōu)于活性炭。與活性炭一樣，活性炭纖維吸附時(shí)無(wú)選擇性，主要用于吸附有機(jī)污染物，一般用于煉油廠綜合廢水處理。
3.活性炭的吸附作用與吸附形式
3.1 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(guān)過(guò)程。主要應(yīng)用于生活飲用水深度凈化，城市污水處理，工業(yè)廢水的處理。
3.2 吸附作用與吸附形式
將溶質(zhì)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(xiàn)象，所以吸附與活性炭的表面特性有密切關(guān)系。活性炭有巨大的內(nèi)部表面和孔隙分布。它的外表面積和表面氧化狀態(tài)的作用是較小的，外表面是提供與內(nèi)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(duì)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(gòu)成孔洞壁表面的碳原子受力不平衡所致，從而引起表面吸咐作用。
活性炭的吸附形式分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附時(shí)通過(guò)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(guān)。它有足夠的強(qiáng)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(jìn)行。這種吸附時(shí)可逆的，在吸附的同時(shí)，被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)會(huì)離開固體表面，這種現(xiàn)象稱為解吸。化學(xué)吸附與價(jià)鍵力相結(jié)合，是一個(gè)放熱過(guò)程。化學(xué)吸附有選擇性，只對(duì)某種或幾種特定物質(zhì)起作用。化學(xué)吸附不可逆，比較穩(wěn)定，不易解吸。
活性炭的吸附過(guò)程分為三個(gè)階段。首先是被吸附物質(zhì)在活性炭表面形成水膜擴(kuò)散，稱為膜擴(kuò)散，然后擴(kuò)散到炭的內(nèi)部孔隙，稱為孔擴(kuò)散，然后吸附在炭的孔隱表面上。因此，吸附速率取決于被吸附物向活性炭表面的擴(kuò)散。在物理吸附中，炭粒孔嚼內(nèi)的書散速度和炭粒表面上的吸附反應(yīng)速度，主要同前兩項(xiàng)有關(guān)。
4.活性炭吸附作用在水處理中的應(yīng)用概況
4.1 活性炭吸附作用應(yīng)用于水處理中的概況
實(shí)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書處理已有十年的歷史。近二十年來(lái)，由于活性炭的再生問(wèn)題得到了較為滿意的解決，同時(shí)，活性炭的制造成本也有了降低，活性炭吸附技術(shù)在國(guó)內(nèi)外才逐漸推廣使用，目前使用較多的是三級(jí)廢水處理和給水除臭。20世紀(jì)60年代初，歐美各國(guó)開始大量使用活性炭吸附水源凈化的有效手段。我國(guó)20世紀(jì)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(lái)，粒狀活性炭處理工業(yè)廢水，不論在技術(shù)上，還是在應(yīng)用范圍和處理規(guī)模上都發(fā)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(chǎn)上形成較大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了滿意的效果。
4.2 活性炭在水和廢水處理中的應(yīng)用
活性炭有不同的形態(tài)，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(guò)濾將炭、水分離，這種方法也稱為靜態(tài)吸附。粒狀炭用于連續(xù)吸附，被處理的水通過(guò)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(dòng)態(tài)吸附。
能被活性炭吸附的物質(zhì)很多，包括有機(jī)的或無(wú)機(jī)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(chǎng)合。
活性炭對(duì)水中溶解性的有機(jī)物有很強(qiáng)的吸附能力，對(duì)去除水中絕大部分有機(jī)污染物質(zhì)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(jī)物。水中有些有機(jī)污染物質(zhì)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(dāng)水中有機(jī)物的濃度較高時(shí)，應(yīng)采用其他較為經(jīng)濟(jì)的方法先將有機(jī)物的含量降低到一定程度在進(jìn)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(jí)廢水處理，進(jìn)一步減少?gòu)U水中有機(jī)物的含量，去除那些微生物不易分解的污染物，使經(jīng)過(guò)活性炭處理后的水能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，或使處理后的水能回到生產(chǎn)工藝中重復(fù)使用，達(dá)到生產(chǎn)用水封閉循環(huán)的目的。活性炭吸附有機(jī)物的能力是十分大的，在三級(jí)廢水處理中，每克活性炭吸附的COD可達(dá)到本身質(zhì)量的百分之幾十。在廢水處理廠中增加了三級(jí)廢水處理能使BOD的去除效果達(dá)到95%。活性炭以物理吸附的形式去除水中的有機(jī)物，吸附前后被吸附的性質(zhì)并未變化，如果能采用適當(dāng)?shù)慕馕椒ǎ�能回收水中有價(jià)值的物質(zhì)。如果把粉狀活性炭投入爆氣設(shè)備中，炭粉與微生物形成了一種凝聚體，可使處理效果超過(guò)一般的二級(jí)生物處理法，出水水質(zhì)接近于三級(jí)處理。此外，還能夠使活性炭污泥變得縝密和結(jié)實(shí)，降低出水渾濁度，提高二級(jí)處理的水力負(fù)荷。粉狀炭可以間斷地加入，對(duì)于現(xiàn)有的二級(jí)處理廠可在不增加三級(jí)處理投資的情況下，提高處理效果。
4.3 粉狀活性炭在給水處理中的應(yīng)用
粉狀活性炭在給水處理中的應(yīng)用已有70年左右的歷史。自從美國(guó)首次使用粉狀活性炭去除氯酚產(chǎn)生的臭味以后，活性炭成為給水處理中去除色、嗅、味和有機(jī)物的有效方法之一。國(guó)外對(duì)粉狀活性炭吸附性能做的大量研究表明：粉狀活性炭對(duì)三氯苯酚、農(nóng)藥中所含有機(jī)物，三鹵甲烷及前體物以及消毒副產(chǎn)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(duì)色、嗅、味的去除效果已得到公認(rèn)。粉狀活性炭在歐洲、美國(guó)、日本等地的應(yīng)用很普遍，美國(guó)20世紀(jì)80年代初期每年在給水處理中所用粉狀活性炭約25萬(wàn)噸，且有逐年增加的趨勢(shì)。我國(guó)20世紀(jì)60年代末期開始注意污染水源的除嗅、除味問(wèn)題。粉末活性炭在上海、哈爾濱、合肥、廣州都曾試用過(guò).粉狀活性炭應(yīng)用的主要特點(diǎn)是設(shè)備投資低，價(jià)格便宜，吸附速度快，對(duì)短期及突發(fā)性水質(zhì)污染適應(yīng)能力強(qiáng)。自來(lái)水廠中應(yīng)用粉狀活性炭吸附技術(shù)，是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)。但是，由于未能很好地解決該技術(shù)在應(yīng)用方面存在的局限性，仍然難以發(fā)揮粉狀活性炭技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用不能達(dá)到實(shí)際效果。在自來(lái)水廠中的應(yīng)用需要解決理論依據(jù)和應(yīng)用兩大類問(wèn)題。理論上應(yīng)解決的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：
1.根據(jù)水廠原水的水質(zhì)狀況，特別是有機(jī)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(duì)有機(jī)物去除效果的影響；
2.根據(jù)水廠的實(shí)際水質(zhì)情況，確定合適、合理的投加點(diǎn)及投加方式，以解決粉狀活性炭與混凝劑吸附競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，提高粉狀活性炭使用效率。
4.4 顆粒活性炭在飲用水深度處理中的應(yīng)用
由于活性炭對(duì)水中微量有機(jī)污染物具有優(yōu)良的吸附特性，早在20世紀(jì)20年代初，國(guó)外就開始用粉狀活性炭去除水中的臭和味。1930年第一個(gè)使用顆粒活性炭吸附池除臭的水廠建于美國(guó)費(fèi)城，在20世紀(jì)60年代末70年代初，由于煤質(zhì)顆粒炭的大量生產(chǎn)和再生設(shè)備的問(wèn)世，發(fā)達(dá)國(guó)家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機(jī)物的研究工作，對(duì)飲用水進(jìn)行深度處理，顆粒活性炭?jī)艋b置在美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)陸續(xù)建成投產(chǎn)。美國(guó)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(yùn)行。國(guó)外目前在給水處理中常用的是降流式活性炭吸附池，據(jù)報(bào)道較大單池面積達(dá)160m2，單層炭層厚度為0.7~2.5m，空床接觸時(shí)間6~20min，大多數(shù)采用壓縮空氣和水聯(lián)合沖洗。
5.結(jié)束語(yǔ)
隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心以及國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，推動(dòng)了活性炭在廢水處理上的應(yīng)用。利用活性炭良好的穩(wěn)定性質(zhì)、很強(qiáng)的吸附能力以及優(yōu)異的再生能力，巧妙地結(jié)合其他的水處理工藝，達(dá)到提高水處理的出水水質(zhì)。