粉狀活性炭在水處理中的應(yīng)用粉狀活性炭在水處理中的應(yīng)用
摘要：
由于粉狀活性炭表面能大，來源廣，價格便宜，是普遍用到的吸附材料，基于這些優(yōu)點，粉狀活性炭吸附工藝也成為目前去除水中有機(jī)物的首選工藝。本文講述了粉狀活性炭作為固體吸附劑的性質(zhì)，同時也介紹了粉狀活性炭在水污染處理中的應(yīng)用和展望。
1． 前言
任何表面都有自發(fā)降低表面能的傾向，由于固體表面難于收縮，所以只能靠降低界面張力的辦法來降低界面張力的方法來降低表面能，這也就是固體表面能產(chǎn)生吸附作用的根本原因。由于粉狀活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，對水中溶解的有機(jī)物，如苯類化合物、酚類化合物、石油及石油產(chǎn)品等具有較強(qiáng)的吸附能力，而且對用生物法及其他方法難以去除的有機(jī)物，如色度、異臭、表面活性物質(zhì)、除草劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成的有機(jī)化合物都有較好的去除效果，因此粉狀活性炭吸附技術(shù)在水處理中已得到廣泛應(yīng)用。
粉狀活性炭的特點
粉狀活性炭是一種多孔性含炭物質(zhì)，具有發(fā)達(dá)的微孔構(gòu)造合巨大的比表面積。它包括許多種具有吸附能力的碳基物質(zhì)，能夠?qū)⒃S多化學(xué)物質(zhì)吸附在其表面上。粉狀活性炭最初用于制糖業(yè)，后來廣泛用于去除污水中的有機(jī)物合某些無機(jī)物。
2.粉狀活性炭的一般性質(zhì)
粉狀活性炭外觀為暗黑色，具有良好吸附性能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可耐強(qiáng)酸及強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫，密度比水小，是多孔的疏水性吸附劑。
2.2粉狀活性炭的作用機(jī)理
粉狀活性炭產(chǎn)生吸附的主要原因是固體表面上的原子力場不飽和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能。固體從溶液中吸附溶質(zhì)分子后，溶液的濃度將降低，而被吸附的分子將在固體表面上濃聚。
粉狀活性炭在制造過程中，其揮發(fā)性有機(jī)物被去除，晶格間生成了空隙，形成許多不同形狀、不同大小的細(xì)孔。通常粉狀活性炭顆粒中的孔隙占顆粒總體積的70%～80%。這些孔隙形狀多樣，孔徑分布范圍很廣，細(xì)孔壁的總表面積即比表面積一般高達(dá)500～1700平方米/克。這就是為什么粉狀活性炭吸附能力強(qiáng)、吸附容量大的主要原因。
粉狀活性炭的吸附特性不僅與細(xì)孔構(gòu)造和分布情況有關(guān),而且還與粉狀活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。粉狀活性炭本身是非極性的,其含量及電荷隨原料組成、活化條件不同而異,低溫活化(< 500℃)的碳可以生成表面酸性氧化物,水解后可以放出H+。由于粉狀活性炭表面有微弱的極性使其他極性溶質(zhì)競爭粉狀活性炭表面的活性位置,導(dǎo)致非極性溶質(zhì)吸附量的降低,而對水中某些金屬離子交換吸附或絡(luò)合反應(yīng),提高了粉狀活性炭對金屬離子的吸附效果。
總之，在吸附過程中，真正決定吸附能力的是微孔結(jié)構(gòu)。全部比表面幾乎都是微孔構(gòu)成的。粗孔和過渡孔分別起著粗、細(xì)吸附通道作用，它們的存在和分布在相當(dāng)程度上影響了吸附和脫附速率。此外，粉狀活性炭吸附性質(zhì)還受粉狀活性炭表面化學(xué)性質(zhì)影響。
3.粉狀活性炭在水處理中的應(yīng)用
粉狀活性炭吸附工藝是目前去除水中有機(jī)物的首選工藝。由于原料來源豐富，表面積大，對色、嗅、味及其他有機(jī)物有良好的去除率。粉狀活性炭在水處理過程中的應(yīng)用日益廣泛。其中粉末粉狀活性炭，對除去水中藻細(xì)胞分泌物產(chǎn)生的低分子量DOC尤為有效，并能有效地去除水中的微囊藻毒素，在經(jīng)典的慢砂濾池后加上一個粉狀活性炭濾池可除去引起水臭味的有機(jī)物，如：土臭味素及2-甲基異冰片(MIB)，有效地降低出水的臭味。但粉狀活性炭對危害較大的鹵代烴的吸附效果不太好，而且粉狀活性炭吸附后的再生問題一直難以得到滿意的解決。目前，正在開發(fā)新型吸附材料如粉狀活性炭纖維、多孔合成樹脂等。
3.1粉狀活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用
以顆粒粉狀活性炭為濾料的快速生物濾池通常用作第二級過濾，通過生長在顆粒粉狀活性炭表面細(xì)菌的活動，除去水中的BOM。這一處理過程又稱二級生物粉狀活性炭過濾。有文獻(xiàn)報道了這一過程的有效性。為減少費用及便于在水廠中推廣，人們提出了“第一級砂——生物粉狀活性炭雙層濾池”的構(gòu)想。應(yīng)用生物濾池去除水中BOM有以下優(yōu)點：
(1)減少了細(xì)菌在供水系統(tǒng)中生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，可有效控制細(xì)菌的繁殖；
(2)減少了與消毒劑反應(yīng)的有機(jī)物的量，進(jìn)而減少了飲水處理所需的消毒劑的用量及穩(wěn)定了出廠水剩余消毒劑的含量；
(3)通過去除一些消毒副產(chǎn)物的有機(jī)前體物，減少了水廠水中消毒副產(chǎn)物的含量；
(4)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)終產(chǎn)物；
(5)老化脫落的生物膜殘渣較化學(xué)沉淀污泥易處理；
(6)生物處理法費用較粉狀活性炭吸附法低。
3.2粉狀活性炭在廢水處理過程中的除臭作用
粉狀活性炭吸附柱可以去除許多惡臭物質(zhì)。如乙醛、吲哚等惡臭成分是通過物理吸附而去除的，H2S和硫醇等則是在粉狀活性炭表面進(jìn)行氧化反應(yīng)而進(jìn)一步吸附去除的。粉狀活性炭對硫化氫以及含硫化合物的去除比較理想，單對氨或含氮化合物的去除并不理想。粉狀活性炭在達(dá)到飽和之前，其對惡臭物質(zhì)的去除率是保持相對穩(wěn)定且其受氣體負(fù)荷變化的沖擊影響比較小，因此適應(yīng)性比較廣泛，但是吸附劑不便頻繁再生，因而對被吸附氣體的濃度要求不能太高。
3.3粉狀活性炭在處理印染廢水中的脫色能力
利用粉狀活性炭吸附作用處理成分復(fù)雜的染料生產(chǎn)廢水，具有良好的效果。其基本工作流程如下：
(1)厭氧預(yù)處理的出水經(jīng)混凝沉淀后，COD去除率為83%左右，脫色率達(dá)到99.3%，為后續(xù)的吸附創(chuàng)造了良好的條件。
(2)粉狀活性炭具有良好的吸附性能，本工藝的最佳吸附條件：pH=4，粉末粉狀活性炭用量為20g/L，吸附過程中需要攪拌，吸附時間為40min，吸附后出水的CODCr為150mg/L以下，達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。
(3)用堿法洗脫和Fenton試劑氧化這兩種再生方法均可較好地恢復(fù)粉狀活性炭的吸附性能。對再生后的粉狀活性炭進(jìn)行吸附，CODCr去除率仍可達(dá)77%以上，脫色率可達(dá)97%以上。
4.粉狀活性炭吸附與其它水處理技術(shù)組合工藝的應(yīng)用及發(fā)展
4.1高錳酸鉀－粉狀活性炭組合工藝
我國的一些水廠，在微污染水源處理中采用高錳酸鉀－粉狀活性炭聯(lián)用組合工藝，對降解有機(jī)物，提高去除嗅、色能力，效果顯著。同時這種組合工藝，對濁度降低，礬耗的節(jié)約也較顯著。
4.2 生物粉狀活性炭法
生物粉狀活性炭法是在粉狀活性炭吸附技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種水處理技術(shù)。生物粉狀活性炭法是將粉狀活性炭作為生物膜載體，利用粉狀活性炭的吸附作用和生物膜的降解作用，去除水中的污染物的一種新方法。
4.3 粉末粉狀活性炭－活性污泥工藝(PACT)
該法即將粉末粉狀活性炭投加到活性污泥曝氣池中，形成生物粉狀活性炭，利用吸附、降解協(xié)同作用去除有機(jī)污染物。由于生物粉狀活性炭固有的機(jī)理，可以去除活性污泥法難以去除的有機(jī)物，提高活性污泥的去除效率。另一方面，活性污泥具有穩(wěn)定、良好的壓密性，從而克服了污泥膨脹。因其在經(jīng)濟(jì)和處理效率方面的優(yōu)勢，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中。
5.結(jié)論
基于粉狀活性炭來源廣泛、表面能大、吸附能力強(qiáng)、容易循環(huán)利用等眾多優(yōu)點，粉狀活性炭吸附技術(shù)在污水處理方面已得到很好的發(fā)展，并在眾多方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著人們對它的進(jìn)一步深入的研究，粉狀活性炭將會在各方面有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。
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