活性炭在水处理中的应用方法研究与进展_于洪斌

2003 年 8 月 第 23 卷第 8 期
工业水处理 Industrial Water Treatment
Aug. , 2003 Vol. 23 No. 8
活性炭在水处理中的应用方法研究与进展
于洪斌, 丁蕴铮
( 东北师范大学环境科学与工程系 , 吉林 长春 130022)
[ 摘要 ] 对活性炭 ( AC) 的基本结构与性质及其在 水处理 中的用 途进行了 简要介 绍 , 重点综述 了水处 理中活 性 炭的 几种最新应用方法 ( 包括活性炭改性以及 活性炭 与膜、 微生物、 氧 化剂、 微波、 电、 TiO2 等材料 或技术 联用 ) , 并 列出了各种方 法处理的结果 , 表明活性炭经过一定的 物化处 理或与 不同的材 料联合 应用 , 可以大 大提高 活性炭 的 处理效率。而且 , 联合应用一般比各种材料单独 使用处理 效果好。 同时还阐 述了活 性炭在 水处理 中的研 究方向 , 对活性炭的后续研究有参考价值。 [ 关键词 ] 活性炭 ; 水处理 ; 应用 [ 中图分类号 ] TQ424. 1 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1005- 829X( 2003) 08- 0012- 05
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; 而若将氧化处理的
活性炭在高温下 ( 800
以上 ) 灼烧, 则其表面会产
生较多的碱性基团 , 获得较高的阴离子交换容量 , 对 阴离子表现出较强的吸附交换能力。 3. 2 活性炭与膜联用 根据孔的大小, 膜一般分为反渗透膜 ( RO) 、 纳 滤膜 ( NF) 和超滤膜 ( UF) 。作为一种新兴工艺 活性炭与纳滤膜、 超滤膜联用, 被广泛研究并应用 于水处理中。此工艺显著优点是能有效的去除水中 的病原菌。因此, 主要应用于饮用水的深度处理 , 为 生产安全优质饮用水提供了保证。 活性炭与膜联用能有效解决单独使用膜过滤而 引起的膜阻塞和膜污染问题。利用活性炭对进水进 行必要的前处理, 以减少水中的有机物、 无机物、 微 生物等在膜表面和膜内孔积累, 从而极大地延长了 膜的使用寿命。而膜的存在又可以克服单独使用活 性炭的弱点 , 解决活性炭出水中细菌数偏高的问题。 活性炭与超滤膜的联用 , 能有效地去除水中的 CODMn 、 溶解性腐殖酸和富敏酸( UV254 ) 和大肠杆菌, 尤其是对 UV254 以及相应的消毒副产物有较高的和 稳定的去除效果。GC/ MS 分析结果显示, 经该组合 处理 后, 水中有机 物的总谱 峰面积减 少了 71. 7% ( 即由原水的 4 753 919 减少到出水的1 342 992) 见表 1 。 表1
Researches on the application of activated carbon to water treatment and its development
Yu Hongbin, Ding Yunzheng ( Department o f Environmental Science and Engineering, Northeast Normal University , Changchun 130022, China) Abstract: This article introduces the essent ial structure and features of activated carbon( AC) and its use on water treat ment. A few up to date application of AC in water treatment, including modification of AC and its application combined with membrane, microorganism, oxidizer, microwave, electricity or TiO2 , etc , are summarized emphatically. The results of different kinds of methods show that the efficiency of activated carbon can be promoted great ly through some physicochem ical treatment or combination with different materials. Moreover, the effect of combination system is better than that of different materials applied separately. At the same time, this article also clarifies the research tendency of AC used in water treatment. All of these can be available as reference to the follow up research of AC. Key words: act ivated carbon; water treatment; application 水体污染已经成为当今世界各国普遍关注的问 题。人们将各种不同材料应用于水处理研究领域 , 以寻求更有效的方法 , 提高用水和排水质量, 减少污 染。但近年来, 随着污染物种类的增多 , 污染成分越 来越复杂 , 采用常规水处理方法已不能满足要求, 必 须进行深度处理。一些作用单一的材料和方法已不 适用。所以, 来源广泛且容易再生 , 能反复利用的活 性炭( AC) 得以广泛应用, 其强大的吸附能力和良好 的机械强度使它不仅能直接作为优良的吸附剂应用 于水处理中, 而且还可以与其他材料联合应用 , 作为 催化剂及催化剂载体。 关于活性炭基本结构性质和在水处理中的应用 已见报道, 故只作简单介绍。重点综述了现今存在 或正在进行研究的活性炭应用方法 , 包括活性炭改 性和活性炭与膜、 微波、 T iO2 等材料进行联合使用的 12 方法, 并提出了活性炭应用方法的研究方向。 1 基本结构与性质 活性炭属无定型炭 , 由许多呈石墨型的层状结 构的微晶不规则地集合而成 , 具有结晶缺陷 。这 些内部结构使 活性炭在水处理中不仅 具有吸附能 力 , 还能起到催化作用。活性炭内部有无数微细孔 隙纵横相通 , 其孔径为 1 10 ~ 1 10 m, 特别 - 10 - 9 是 1 10 ~ 1 10 m 的微孔居多, 使活性炭具 有巨大的比表面积 ( 可达 1 000 m2 / g) 。这些物理特 性也是活性炭具有强大吸附能力的原因之一。 活性炭可以用木头、 煤、 椰壳、 锯末等各种含碳 2 的物质经一系列工艺过程制得 。由不同原料制得 的活性炭具有不 同的硬度、 粒径大小和比 表面积。 所以 , 不同型号活性炭有各自的应用领域。如由烟 煤制成的活性炭具有从微孔到大孔的各种孔径, 因
水样 峰数 定性有机物数 总谱峰面积
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。
利用活性炭去除水中大部分有机物是其重要应用之 一。此外, 活性炭还能有效地去除几乎无法分解的 氨基甲酸酯类杀虫剂和 CODMn 等。 由于活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些 重金属( 如汞、 锑、 锡、 铬等 ) , 且不易产生二次污染 , 所以, 常被用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺 中。 在处理工业废水中, 活性炭主要用作最后的深 度处理。对于石油化工和印染这类 COD、 BOD 含量 较高的废水, 活性 炭也可用于二级 处理组合系统。 而制药废水由于药物品种繁多 , 废水成分复杂 , 相应 的废水处理方法也大不相同。多数情况下需要将几 种处理工艺组合起来, 活性炭往往在组合工艺中最 后的深度处理中应用。另外, 活性炭可以与不同的 材料联合应用, 组成新的工艺技术 , 以取得更好的处 理效果。 3 应用方法 活性炭结构中具有结晶缺陷 , 使之成为理想的 催化剂, 同时活性炭也是理想的催化剂载体, 因为它 有扩展的表面积 , 再加上其巨大的吸附潜能, 所有这 些物理和结构上的特点, 使活性炭有多种应用方法。 3. 1 活性炭改性 活性炭改性就是指用一定的方法处理活性炭使
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,
进水和出水 GC/ MS 分析结果
原水 57 44 4 753 919 GAC 出水 41 33 1 826 441 UF 出水 35 31 1 342 992
其表面官能团性质及数量发生变化。不同的处理方 法可以得到不同的改性活性炭 。用 O3 与 NaOH 对活性炭改性后 , 活性炭表面含氧官能团, 尤其是酚 类和羧基类基团明显增多; 而经过硝酸氧化则可显 著增加其表面酸性基团的含量。 在实际应用时 , 应根据被处理水的水质来确定 如何进行活性炭表面改性。若用浓硝酸氧化, 则活 性炭表面酸性基团增多, 亲水性增强, 这就不利于活
活性炭与纳滤膜联用能有效地去除进水中大部 分 TOC 和 Ames 致突变物 , 使 Ames 试验结果均呈阴 性 10 。董秉直等人对超滤膜与混凝粉末活性炭联 用所做的研究也表明活性炭与膜的组合不仅可有效 地去除溶解性有机物, 还能降低膜过滤的阻力, 提高 透水量和防止膜污染 11 。此组合是获得优质饮用 水的有效处理工艺。 13
用。通过研究发现 , 活性炭具有分解 NaClO 的能力, 用活性炭作催化剂 , NaClO 作氧化剂 , 可以有效地催 化氧化处理蒸氨废水
专论与综述 3. 3 活性炭与微生物联用 在利用微生物进行水处理的体系内, 无论厌氧 型微生物还是好氧型微生物都可以使用活性炭作为 载体与之联用, 现在比较成熟的技术主要有两种: 活 性炭厌氧流化床和生物活性炭。厌氧流化床反应器 适用于高浓度有机废水的处理。例如, 应用于对含 酚质量浓度为 1 000 mg/ L 的废水的处理效果就很 好, 通过活性炭吸附 , 微生物分解 , 酚、 CODCr 和 TOC 的去除率可以分别达到 99% , 96% 和 97% 来也有人 研究出一种新 型载体
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活性炭按形状分为粉末活性炭 ( PAC) 和颗粒活 性炭 ( GAC) 。目前溶液的精制脱色和水处理等液相 吸附多采用粉末活性炭 , 以间歇接触方式进行。水 处理中也常采用颗粒活性炭, 在液相吸附中, 颗粒活 性炭主要用于固定床、 移动床和流动床等处理方式。 在净化给水方面 , 活性炭不仅对色、 嗅去除效果 良好 , 而且对合成洗涤剂也 有较高的吸附能力