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活性炭在水处理中的应用方法研究与进展_图文

发布时间:

2003年8月 第23卷第8期

T业水处理
Industrial Water Treatment

A“g.,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、TiO: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。同时还阐述了括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

[中用分类号】1、M24 l[文献标识码]A[文章编号]1005—829x(2003)08—0012一05

Researches 0n廿1e app¨catiOn Of activated carbon lO water treatment and its develOOment
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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*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、Ti0,等材料进行联合使用 的方法,并提出了活性炭应用方法的研究方向。
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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l×10。10一1×lO一仙m,特别 是1×10“o~l×lO一“m的微孔居多,使活性炭具 有巨大的比表面积(可达l
Ooo

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 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 此,对高分子有机物有较好的吸附能力;而用椰壳制 成的话性炭比表面积很大,但大孔少,所以比较适用

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工业水处理2003—08,23(8)

于洪斌,等:活性炭在水处理中的应用方法研究与进展
附。因此,以去除有机污染物为目的的活性炭表面

于低分子有机物的吸附。活性炭吸附能力的大小不 仅与本身性质有关,还与被吸附物质的分子结构、溶 解性和离子化程度等有关”J。
2主要用途 活性炭按形状分为粉末活性炭(PAc)和颗粒活

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。白树 林等人利用改性活性炭对水溶液中cr(Ⅲ)进行吸 附研究中发现,用HN0,(1:1)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

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。

(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。c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

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”o。 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c0D。。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,

根据孔的大小,膜一般分为反渗透膜(R0)、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 cOD。。溶解性腐殖酸和富敏酸(uV。)和大肠杆 菌,尤其是对uV。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
l 342 753

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

919减少到出水的

992)…’,见表1。

表l进水和出水Gc/Ms分析结果

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o。o。用0,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 性炭对水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有机物的吸
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活性炭与纳滤膜联用能有效地去除进水中大部

分T0c和Ames致突变物,使Ames试验结果均呈 阴性”…。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”“。此组合是获得优质饮 用水的有效处理工艺。

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专论与综述

工业水处理2003一08,23(8)
表2活性炭吸附一氧化实验结果
项目 原染料废水cOD。/(mg?L一) 吸附一氧化后c0Dn/(mg?L“) coDc。去除牢,,% 脱色率/% 水样l
】316

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l
000

水样Ⅱ
1 32l
75 94

水样Ⅲ
】346 63.50 95.28 98.20

69∞
94 97 71 30

90
25

97

10

用。通过研究发现,活性炭具有分解NaCl0的能

m吕/L的废水的处理效果就很

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”…。在适当的条件下,废 水中的酚的去除率可达99.5%。而将活性炭作为 催化剂载体的载铜活性炭已被研究用于石油污水中 c0D。的去除”’。利用活性炭吸附和铜的催化作 用,降低有机物分解的活化能,再利用*笪鬯 溶解氧氧化,将其除去,从而实现去除石油污水
COD^的深度处理。 3.5活性炭与微波联用

好,通过活性炭吸附,微生物分解,酚、c0D,,和TOc 的去除率可以分别达到99%,96%和97%”…。* 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u“。

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

国内外对活性炭再生技术的研究表明,微波辐 照是一种比较好的活性炭再生方法”“”。。微波加 热使活性炭进一步活化,提高吸附容量,用这种方法 再生活性炭的时间短,耗能低,设备构造简单,具有 很好的应用前景。 微波与活性炭联合作用处理有机污染物废水效 果良好。当对含有苯、甲苯、二甲苯和苯酚的溶液进 行处理时,微波辐射90 s,苯、甲苯、二甲苯便被完全
分解成CO:和H:O;240 s后苯酚被完全分解为c0:

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,为保护装置内皂好的好氧条件,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““。 3,4吸附、催化、氧化联用

和H,O…’2”。实验发现在微波辐射下,活性炭粒子 问产生弧光并且很快变得火红,此时的温度可达


200℃以上,在这样高的温度下有机物很快分解

成C0,和H,O。

所谓吸附氧化联用就是指活性炭吸附与各种氧
化剂氧化联用。J,swied讯等人研究了氧化剂c10:

有人在研究微波与活性炭联用催化降解染料酸
性橙Ⅱ溶液时发现,在出水体积为10 L时,脱色率

的添加量对活性炭吸附有机物的影响,结果表明即 使很小剂量的C10:也可以显著影响活性炭对有机
物的吸附能力”…。一般印染废水中有毒物质含量

仍高达95.6%;而在无微波条件下(单独活性炭吸
附),脱色率仅为37.5%,如图1。

较多,用生物方法处理有一定困难。所以,吸附氧化
法常被用于处理印染废水。clO:与活性炭的组合

对印染废水的脱色及c0D。,的去除效果均要好于其 各自单独使用”“。此外,王九思等人研究的活性炭 吸附一化学氧化组合对印染废水的处理也收到了良 好的效果。此方法所用的氧化剂为Fenton试剂,最 终cOD。去除率和脱色率分别高于94%和97%”…,
见表2。
0 2 4 6 S lU 12

出水体栅L

图1酸性橙Ⅱ脱色率曲线

活性炭吸附饱和后单纯微波辐射对酸性橙Ⅱ溶 液的脱色作用,效果仍很显著。这充分说明微波辐
射对酸性橙Ⅱ溶液的脱色起着重要作用。另外,随

活性炭在水处理过程中不仅表现出良好的吸附 作用,同时它还可以起到催化剂和催化剂载体的作
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着输出功率的增大,微波辐射能增强,脱色效果也越

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活性炭在水处理中的应用方法研究与进展
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 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 工业水处理 INDUSTRIAL WATER TREATMENT 2003,23(8) 27次

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