活性炭在废水、废气处理中的应用现状

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1、活性炭吸附机理简述

活性炭是把有机原料(果壳、煤、木材等)经过隔绝空气的条件下加热减少非碳成分(此过程称为炭化),然后与气体反应,表面被侵蚀,产生微孔发达的构造(此过程称为活化)。由于活化的过程是一个微观的过程,也就说大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀的,所以造成了活性炭表面的微孔直径小,活性炭表面的微孔直径大多在2-50nm之间,所以,即使是少量的活性炭,也有巨大的表面积(可达3000m2/g)。活性炭的一切应用,几乎都基于活性炭的这一特点。目前,活性炭主要作为固体吸附剂,应用在化工、医药、环境等方面,用于吸附沸点及临界温度较高的物质,分子量较大的有机物。在活性炭发生的主要是物理吸附,大多数是单层分子吸附,其吸附量与被吸附物的浓度服从朗格缪尔方程式。

2、活性炭在废水处理中的应用的现状

目前我国的废水主要是工业废水和生活废水,在2001 年,两者的排量分别为200亿吨和277亿吨。大部分的废水(特别是生活污水)采用的是生物法处理,即利用好氧、厌氧生物来降解水中的有机物(BOD)。但是,这种方法有它的缺点,首先有些污水含有毒物质、难降解物质,无法用生物法来处理;其次,这种方法的的处理效果有限,一般只能处理到国家地表水质量的三级标准。在生物法不足的地方恰恰就是活性炭的用武之地。活性炭主体是非极性的,容易吸附有机物;活性炭的吸附效果比较彻底,出水质量高。活性炭还可去除饮用水中的嗅和味,这是生物法无论如何也应用不到的领域。

2.1近两年来活性炭水处理应用方法的研究

2.1.1、活性炭的改性。

活性炭改性就是指用一定的方法处理活性炭使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。若用浓硝酸氧化,则活性炭表面酸性基团增多,亲水性增强,这就不利于活性炭对水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有机物的吸附。因此,以去除有机污染物为目的的活性炭表面改性的研究方向应为:减少表面内酯基及羧基等含氧官能团的含量,增加活性炭表

面的疏水性。有研究中发现,用HNO3氧化的活性炭在300~400℃下进行热处理,其表面可产生较多的酸性基团,获得较高的阳离子交换量,对重金属离子Cr(Ⅲ)有很好的吸附交换能力;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。.武汉理工大学材料科学与工程学院的王勇等人将线型酚醛树脂和TiO2混合磨碎,经炭化、活化处理后,TiO2粒子与酚醛树脂活性炭融合成一体,形成光催化复合材料,用于处理含酚废水,在紫外线照射下,该材料显示出有较好的光催化含酚废水的能力。而含酚废水在没该材料的太阳紫外线照射下是不会自动降解的,也不可用生物法降解。这个发现对此类废水的处理有重大的环保意义。

2.1.2、活性炭与膜联用。

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。

2.1.3、活性炭作为载体。

首先,活性炭可以作为催化剂的载体。活性炭本身巨大的表面积为水中的化学反应提供了大量的反应场所,增加了反应物碰撞的机会,加速反应的过程。也就是说,活性炭本身就可作为催化剂。对于某些比重大于水或容易形成沉淀的催化剂(例如某些金属催化剂),活性炭的存在使这些催化剂可以长期与反应物接触而不被生成物所覆盖,造成催化剂的失效。这对于含重金属离子废水的处理有重要意义。第二,活性炭可以作为分解水中有机物的生物的载体。这是因为活性炭表面吸附了有机物以后,可以成为微生物理想的稳定的生长、繁殖场所。而且,利用活性炭作为微生物的载体,可以减少出水中的细菌个数。其实,活性炭的这种作用有点类似污水生物膜法(例如生物转盘),但它比生物膜法具有更大的表面积,更有利于反应充分的进行,但是它的氧交换能力不如生物膜法。

2.1.4、活性炭纤维。

传统的活性炭,包括粒状活性炭和粉末状活性炭,在废水处理中存在装填松动或过分紧密,操作时易形成沟槽或沉降,其本身不能起支架作用。活性炭纤维的制作过程与传统的相比多了一个预处理的阶段,采用低温氧化或用无机盐浸渍的方法,使原来有机物的纤维能在炭化和活化之后得以保留。这种活性炭纤维有如下优点,吸附量大,脱附的速度快,而且吸附的物质浓度下限比活性炭低,也就是说吸附比较彻底。因此,它更适合于处理饮用水,去除水中的嗅和味,滤去水中的细菌可达90%。

3、活性炭在废气处理中的应用的现状

总的来说,活性炭这在废气处理的方面远不如废水处理方面活跃,因为传统的废气处理方法,如电除尘法、旋风器除尘法、麻石水膜除尘法等都对废气的处理可以达到很好的效果,例如电除尘器去除污染物的可达98%。但这并不代表活性炭在此无用武之地,活性炭在去除强烈致癌物质芳香类化合物一度成为人们研究的热点,而这两年人们对此仅是作了为数不多的研究,而且研究方向与废水处理有部分重叠(主要是活性炭纤维的应用)。

3.1活性炭纤维在废气处理中的应用。

我国的涂料工业在生产过程中用到大量的有机溶剂,主要有三苯(苯、甲苯、二甲苯)、苯乙烯环己酮、丙酮、松节油,甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、溶剂汽油、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等。这些有机溶剂的挥发,除了浪费资源以外还严重地危害生产工人的健康。金毓荃等用比表面积为1200m2/g。纤维絮片单层厚度2mm的活性炭纤维处理苯系废气,当在滤速为0 20m/s以下时,活性炭纤维对苯、甲苯、二甲苯及其混合物的净化效率高达90%以上。另外还有人在二氯甲烷废气的治理工程中,设计采用三箱吸附系统,当废气流量为10000m3/h,废气中二氯甲烷浓度为3000mg/m3的条件下,设备装置经过半年时间,运行状况一直良好,吸附效率一直保持在97%以上,大大改善了大气环境,每年净收益达75 4万元。而传统的活性炭吸附去除效率为70%左右。

3.2改性活性炭在废气处理中的应用。

众所周知,我国的能源消耗中煤炭所作的贡献最大,产生的废气也最多。煤炭主要产生SO2和NOX废气,这两种废气是酸雨形成的主要原因。我国三大酸雨区中有两大是属于煤烟型酸雨,还有一个(华南酸雨区)是属于煤烟—汽车尾气复合型酸雨,控制煤炭废气的排放对我国的环境有重大意义。改性后活性炭材料的脱硫、脱硝处理效果好,投资运行费用低,且易于再生利用等优点而引起人们的关注。改性活性炭材料脱硫、脱硝首先是利用活性炭材料的吸附性能将烟气中的污染气体SO2和NOX物理吸附于活性炭材料表面,在活性炭材料表面官能团或担载金属的催化作用下,将SO2和NOX转化为SO3和无污染的N2或O2。在有水蒸气存在的情况下,SO3 将会与水结合生成硫酸回收[7]。

3.3活性炭吸附效果影响因素的研究。

有研究表明,用活性碳纤维作为吸附材料,以恒温恒压的空气作载气,通过鼓泡法配置一定浓度的醋酸丁酯气体,当气速为0 .06m/s时, ACF平衡吸附量近600mg/g,实验结果表明,在温度、气体流速、气体浓度3个因素中,温度对ACF的平衡吸附量影响最大,随着温度的升高,ACF对醋酸丁酯的平衡吸附量下降,传质系数减少,穿透层高度增大[6]。

活性炭吸附法用于低浓度有机废气的治理,具有脱除率高、回收方便等优点。废气中往往混有水蒸汽。致使吸附塔的工作效率降低、运行成本增加,有机溶剂的回收效率下降。浙江大学环境工程研究所的高华生通过采用吸附柱穿透曲线法测定了30℃不同相对湿度(RH)下4种低浓度有机蒸气(VOC)在活性炭上的等温吸附量。结果表明,水蒸汽对VOC吸附平衡的抑制作用,随着RH的增大、VOC浓度的降低而增大,且随着VOC分子极性的增强而有所增大;VOC对水蒸汽吸附平衡的抑制作用,随着VOC分子极性的增强而有所减弱.提出一个基于竞争吸附机理的polanyin dubiin方程,解释空气湿度对低浓度VOC在活性炭上吸附平衡的影响[8]。

3.4活性炭用于控制室内空气污染。

近年来,有专家用活性炭制作成工艺品,作为室内的摆设,可吸附室内有毒气体(主要系房屋装修产生的甲醛、笨)。据有关报道,一个直径27.8厘米、厚度3厘米的圆盘,能清除45平方米内9种有毒有害气体。该专利的产品名称叫黑钻金乌炭雕。

4、活性炭在环科中的应用发展的前景展望。

A、由前面的论述可见,活性炭近年在环科的应用进展缓慢,但从上面的研究结果来看,活性炭的工艺的改进为以后发展埋下伏笔,以后研究的投入可能会加快。

B、研究的重点有四个方向:

一、活性炭纤维在废水、废气处理中的应用。活性炭纤维比传统的活性炭吸附效率高,再生速度快,比例高,有一定的市场前景。近期的研究估计会集中在活性炭纤维在吸附含有机物废气的效率及适用范围。

二、改性活性炭在废水、废气处理中的就用。改性后的活性炭比传统的活性炭适用范围有所改变,可能会引起活性炭应用工艺的变革。

三、活性炭工艺与其它手段的结合。在这里,活性炭起的是辅助性的作用,主

体是生物法、催化剂的应用等。但这一领域有广阔的发展空间,发展势头难以估量。

四、活性炭在室内污染控制的应用。这是活性炭民用化的开端,上面提到的黑钻金乌炭雕还是国内首例,未有同类产品。据闻2005年中国十大投诉热点之首是房屋质量问题,其中敏感的问题就是室内异味(其实就是装修产生的有毒气体)。所以,这方向的应用有望成为市场发展的新焦点。来源:谷腾水网

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