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活性炭吸附的優勢及其吸附原理

    活性炭是由木質、煤質和石油焦等含碳的原料經熱解、活化加工制備而成,具有發達的孔隙結構、較大的比表面積和豐富的表面化學基團,特異性吸附能力較強的炭材料的統稱。

    通常為粉狀或粒狀具有很強吸附能力的多孔無定形炭。由固態碳質物(如煤、木料、硬果殼、果核、樹脂等)在隔絕空氣條件下經600~900℃高溫炭化,然后在400~900℃條件下用空氣、二氧化碳、水蒸氣或三者的混合氣體進行氧化活化后獲得。[3]

    炭化使碳以外的物質揮發,氧化活化可進一步去掉殘留的揮發物質,產生新的和擴大原有的孔隙,改善微孔結構,增加活性。低溫(400℃)活化的炭稱L-炭,高溫(900℃)活化的炭稱H-炭。H-炭必須在惰性氣氛中冷卻,否則會轉變為L-炭。活性炭的吸附性能與氧化活化時氣體的化學性質及其濃度、活化溫度、活化程度、活性炭中無機物組成及其含量等因素有關,主要取決于活化氣體性質及活化溫度。

    我國總的水資源約有2.7萬億m3,居世界第六位,但按人口平均計算(按12億人口計),我國人均水資源僅有2250m2,只有世界人均占有量的1/4。而且我國水資源時空分布很不均衡,目前全國有180多個城市缺水,其中40個城市嚴重缺水、全國每天共缺水約880萬m3,全國約有4000萬人、300多萬頭牲畜吃水困難。在水資源如此貧乏的我國,每年排人水體的廢水量達300多億m3,其中工業廢水約占80%-85%的廢水未經處理就直接排放,使有限的水資源受到嚴重污染,使可利用的水資源數量減少。僅1981年我國就有53000km的河段受到不同程度的污染,水資源在使用過程中由于喪失了使用價值被廢棄外排,并以各種形式使受納水體受到影響而形成廢水。我國由于缺水和水污染給經濟發展、城鄉建設和人民身體健康帶來很大危害,全國估計每年水污染造成的經濟損失達300億元,因此,須加大廢水治理的力度,采取各種方法進行廢水處理。

    活性炭吸附性在廢水處理中的應用

    活性炭吸附的優勢

    在廢水處理中只沉降法是常用的一種,但是沉降法處理一般只能去除約25%~30%的BOD5。污水中的溶解性有機物不能利用沉淀法去除。化學法由于藥劑費用很高而且化學混凝去除溶解性有機物的效果不好而且不宜采用,而吸附法尤其是采用活性炭吸附,對污水的處理效果十分顯著。活性炭可以脫除水寧的微量污染物,可以對污水進行脫色,除臭味,脫除重金屬汞、銻、鉍、錫、鈷、鎳、鉻、銅、鎘等,脫除溶解性有機物、放射性元素等。利用活性炭吸附進行水處理,具有適用范圍廣、處理效果好、可回收有用物料(變廢為寶)、吸附劑可重復使用等優點。

    活性炭的性質及其吸附原理

    活性炭有用于流化床的粉末狀(PAC),也有用于固定床的顆粒狀(GAC)。適用于水及廢水處理的活性炭可由不同的原料制得,如煙煤、泥煤、褐煤、焦炭、木材及椰子殼等。制備時,加熱上述材料使揮發性物質氣化,并使之熱解、碳化,然后進行活化處理。活化過程能選擇性地在碳化材料中除去一部分碳原子,使碳原子重新排列形成孔狀結構,并擴大微孔的孔徑,活化過程中可以通過物理方法或化學方法實現。在制造過程中,處于微晶體邊緣的碳原子,由于共價鍵不飽和而易與其它元素如氧、氫等結合形成各種含氧官能團(又稱表面氧化物),如羥基、羧基等,含量及電荷隨原料組成,隨活化條件不同而異,低溫活化(T<5000℃)的碳可以生成表面酸性氧化物,水解后可以放出H+,因此能降低蒸餾水的pH值:高溫活化(800~1000℃)的碳可以生成表面堿性氧化物,水解后可以放出OH-基團,因此能提高蒸餾水的pH值。

    由于活性費來面具有微弱極性,使其它極性溶質競爭活性炭表面的活性位置,導致非極性溶質吸附量的降低。而對水中某些金屬離子將產生離子交換吸附或絡合反應,提高處理效果。

    此外,活性炭還是一種催化劑,具有催化氧化及催化還原作用。使水中金屬如二價鐵氧化成三價鐵,二價汞離子還原成金屬汞而被吸附去除。

    在吸附過程中發生溶質由溶劑向固體吸附劑表面的質量傳遞,推動力可以是溶質的疏水特性或溶質對固體表面的親和性,或兩者均存在。在廢水處理中通過活性炭吸附而被去除的物質一般為兼有疏水基團與親水基團的有機化合物。有機物的疏水基團易靠近固體表面而被吸附。表面活性劑是這類有機物的一個代表。溶質對固體表面的親和力主要由兩方面原因形成,第一種原因是溶解度。溶質的溶解度越大,則向表面運動的可能性越小。相反,溶質的憎水性越大,向吸附界面移動的可能性越大;第二種原因是溶質與吸附劑之間的靜電引力、范德華力或化學鍵力所引起。吸附作用的速率可以由弗蘭德利希(Freundlich)吸附等溫式反映。

    當活性炭吸附達到飽和后,可以進行脫附再生,然后再重復使用,這也是活性炭的又一優點。脫附再生是吸附的逆過程,即在吸附劑結構不變化或者變化極小的情況下,將吸附質從吸附劑孔隙中除去,恢復它的吸附能力。通過再生使用,可以降低處理成本,減少廢渣排放,同時回收吸附質。

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