活性炭污水处理的原理

活性炭污水处理的原理
活性炭的强吸附性能与它具有巨大的比表面积有关，在炭粒活化过程中，晶格间生成的空隙 形成了各种形状和大小的细孔，其孔壁的总面积就是活性炭的总表面积。吸附作用主要发生 在这些细孔的表面上，每克吸附剂具有的总表面积称为比表面积。但是，活性炭的吸附量除 与比表面积有关以外，还与细孔的形状和分布以及表面的化学性质有关，活性炭的比表面积 可达500~1700m2/g，活性炭微孔的形状取决于活化方法和活化条件，有圆筒形、圆锥形、 瓶形，平板形、V 字型、毛细管形等等。细孔的半径一般为1~10nrn。活性炭的孔隙可分为 大孔、过度孔和微孔三类，大孔的孔径为1000~10000nm，表面积只有0.5~2m2/g，占比表 面积的比例不足1%，它主要为吸附质提供扩散通道，吸附能力较弱;过渡孔半径为2~100nm， 其表面积为1~200 m2/g，占总比表面积的5%以下，它不仅为吸附质提供扩散通道，影响扩 散速度，而且有利于大分子物质的吸附，吸附能力强，过度孔的发达与否就成为水处理用活 性炭的一个重要指标：微孔半径在2nm 以下，其比表面积为700~1400 m2/g，占比表面积 的95%以上，对吸附量的影响最大，在吸附中期起主要作用，但对于液相来说，水中的大分 子污染物难以进入微孔，因此，其吸附能力一般。
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 1000mg/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%。近年来也有人研究出一种新型载体———多孔聚 合物载体，虽然处理效果稍好于单纯活性炭，但其造价太高，所以目前活性炭厌氧流化床方 法仍有一定应用研究空间。
活性炭水处理技术的实际应用
据统计，我国每年排出的工业废水约为8×108 m3 ，其中不仅含有氰化物等剧毒成分，而且 含有铬、锌、镍等金属离子。废水的处理方法很多，主要有活性炭吸附法、化学沉淀法、电 解法和膜处理法等。活性炭的表面积巨大，有很高的物理吸附和化学吸附功能。因此活性炭 吸附法被广泛应用在废水处理中。而且具有效率高，效果好等特点。
活性炭处理含汞废水
活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能，但吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的 废水。如果含汞的浓度较高，可以先用化学沉淀法处理，处理后含汞约1mg/L，高时可达2~3 mg/L，然后再用活性炭做进一步的处理。
活性炭处理含酚废水
含酚废水广泛来源于石油化工厂、树脂厂、焦化厂和炼油化工厂。经实验证明：活 性炭对苯酚的吸附性能好，温度升高不利于吸附，使吸附容量减小；但升高温度达到吸附平 衡的时间缩短。活性炭的用量和吸附时间存在最佳值，在酸性和中性条件下，去除率变化不 大；强碱性条件下，苯酚去除率急剧下降，碱性越强，吸附效果越差。
有大孔，比表面积可达 2500m2/ g。具有吸附和脱附速率决，吸附容量大，导电性高等特 点。
实验表明，ACF 对苯酚的吸附容量为248 mg/g，吸附饱和后经多次再生吸附容量 几乎不变，吸附性能比活性炭好。室温时，在酸性或中性条件下，向100mL 浓度为282mg/L 的含酚模拟废水投加活性炭纤维0.5g，恒温振荡30 min，苯酚去除率可达91%。
活性炭处理含甲醇废水
活性炭可以吸附甲醇，但吸附能力不强，只适宜于处理含甲醇量低的废水。工程运 行结果表明，可将混合液的 COD 从40 mg/ L 降至12 mg/ L 以下，对甲醇的去除率达到 93.16 %～100 % ，其出水水质可以满足回用到锅炉脱盐水系统进水的水质要求。
炼油厂的深度处理
炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，在经砂滤和活性炭过滤深度处理。 废水的含酚量从0.1 mg/L（经生物处理后）降至0.005 mg/L，氰从0.19 mg/L 降至0.048 mg/L， COD 从85 mg/L 降至18 mg/L。
一般来说，用于水处理的活性炭要求有较发达的中孔。活性炭的空隙分布给吸附容 量以很大影响，原因是存在着分子筛作用，或类似排斥色谱的作用，即具有一定尺寸的吸附 质分子不能进入比其直径小的空隙。按照立体效应，活性炭所能吸附的分子直径大约是孔道 直径的1/2到1/10。也有人认为:活性炭内起吸附作用的孔道直径(D)是吸附质分子直径(d)的 1.7至21倍，最佳吸附范围是 D/d=1.7~6。活性炭是由许多层状结构的微晶体不规则地集合 而成，微晶体中的碳原子以共价键形式相结合，因此活性炭一般情况下被认是非极性的。但 是有些部位，特别是层的边缘还有许多非结晶部位，这些部位的碳原子由于共价键没有达到 饱和，而易于进行化学反应，与氧结合形成一些表面氧化物基团。在400℃左右的低温活化 时，形成梭基(>COOH )等酸性氧化物，这些官能团在水中发生解离，使活性炭表面具有阴 离子特性，极性增强。随着温度的升高，这两种基团越来越少，而碱性氧化物逐渐增加。当 温度达到850℃时，>COOH 和-OH 这两种酸性氧化物基团完全消失，而羰基（>C=O）碱 性氧化物基团达到最大值。当温度超过850℃时，碱性氧化物略有减少，而酸性氧化物略有 增加。我国活性炭通常在900℃左右下活化，故表面氧化物主要是羰基（>C=O）碱性基团。 羰基（>C=O）碱性基团可使活性炭具有微弱的极性，并具有一定的化学和物理化学吸着力。 因此，活性炭不仅可以除去水中的非极性吸附质，还可吸附极性溶质甚至某些微量的金属离 子及其化合物。
活性炭水处理技术的发展前景
近年来，随着科学技术的进步和废水处理的特殊要求，活性炭的研究从本身的孔结构和比表 面积逐步发展到研究表面官能团对活性炭吸附性能的影响。
例如，活性炭纤维（简称 ACF）近年来在处理废水方面受到了科研工作者的重视， 它的直径一般为5～20μm，其制备原理与传统的活性炭制备相同，即将纤维状碳在800℃以 上用水蒸气或二氧化碳活化处理。纤维状活性炭的孔隙结构以微孔为主，中孔很少，几乎没
当活性炭与微生物联用时，在吸附和微生物氧化分解的协同作用下去除污染物的。 活性炭的大量微孔吸附了有机 物和废水中的氧，为微生物的群体生长繁殖提供了高浓度的 营养源，而微生物代谢过程中产生的酶和辅酶又被吸附和富集在活性炭微孔中，加之炭上微 生物和有机物接触时间较长，使难以降解的有机物也有可能经生物氧化而分解。此法具有以 下优点：稳定，处理效果好;提高了微生物对有机物和重金属的抗性;活性炭能吸附表面活性 物质，解决了曝气池中的气泡问题;产生了有凝聚力的炭体和微生物，形成了坚实和稠密的 污泥，改善了活性污泥法的操作条件；能用于处理成分复杂，浓度和水量多变的废水；成本 低。
最近，人们发现活性炭不仅有吸附特性，同时表现出催化特性，由此而发展起来的 催化氧化法日益受到重视，其研究也在不断深化。为了提高处理效率，从研究催化氧化机理 出发，改变活性炭的表面结构，提高活性炭的能力，寻找理想的吸附剂。
由于活性炭的原料和制造方法的不同，细孔的分布情况也相差很大，而且再生次数也会影响 细孔的构造，一般来说，吸附量主要受微孔支配，但对于分子量(或分子直径)较大的吸附质， 由于分子筛的作用，被吸附质难以进入小孔，因此小孔提供的表面积几乎不起作用，所以在 实际应用中，应该根据吸附质的直径大小和活性炭的孔隙分布来选择合适的活性炭。
处理效率高，操作费用低，有一定的社会效益和经济效益。
活性炭处理含氰废水
在工业生产中，金银的湿法提取、化学纤维的生产、炼焦、合成氨、电镀、煤气生 产等行业均使用氰化物或副产氰化物，因而在生产过程中必然要排放一定数量的含氰废水。 活性炭用于净化废水已有相当长的历史，应用于处理含氰废水的文献报道也越来越多，但成 本较高。
活性炭处理含铬废水
铬是电镀中用量较大的一种金属原料，在废水中六价铬随 pH 值的不同分别以不同 的形式存在。活性炭有非常发达的微孔结构和较高的比表面积，具有极强的物理吸附能力， 能有效地吸附废水中的 Cr（Ⅵ）。活性炭的表面存在大量的含氧基团如羟基（- OH）、羧基 （-COOH）等，它们都有静电吸附功能，对 Cr（ Ⅵ）产生化学吸附作用。完全可以用于 处理电镀废水中的 Cr（ Ⅵ），吸附后的废水可达到国家排放标准。试验表明：溶液中 Cr（Ⅵ） 质量浓度为50 mg/ L ，pH = 3，吸附时间1.5 h 时，活性炭的吸附性能和 Cr （ Ⅵ） 的去 除率均达到最佳效果。因此，利用活性炭处理含铬废水的过程是活性炭对溶液中 Cr （ Ⅵ） 的物理吸附、化学吸附、化学还原等综合作用的结果。活性炭处理含铬废水，吸附性能稳定，
活性炭与其它方法的联用
近年来在水处理技术的发展过程中，各国在探索活性炭与其它方法结合使用时发现，在改善 水 质方面，联合法处理效果显著，弥补了活性炭由于再生频繁致使废水处理成本较高的问 题。 其处理方法大 致有以下几种：
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。
生物活性炭是指具有巨大比表面积及发达孔隙结构的活性炭，对水中有机物及溶解 氧有很强的吸附特性，将其作为载体，使其成为微生物聚集、繁殖生长的良好场所，在适当 的温度及营养条件下，同时发挥活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用的水处理技术， 称为 BAC 法。BAC 法是活性炭吸附与生物降解的协同作用，微生物活动对活性炭起到再生 作用，能使20%~24%的活性炭得到再生。因此，生物活性炭大大延长了活性炭的再生周期。 而活性炭也可减轻废水中有害物质对微生物的影响。目前，采用的 BAC 法多为好氧活性炭 装置，所以，为保护装置内良好的好氧条件，可采用臭氧预氧化。此技术在欧洲水处理中应 用很广，对多种废水的处理显示出了良好的处理效果。