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摘要：活性炭是疏水性吸附剂，它来源较易，用途广泛，而且可再生，是比较环保的吸附剂。
关键词：活性炭；吸附剂
1．活性炭的来源
目前城市剩余污泥的处理方法主要有农用、填埋、焚烧等。污泥含水率高,易腐败,有恶臭,含有一些有毒化学物质和病原生物以及一些有益成份,处理不当将对环境造成很大的污染。为了实现污泥处理的稳定化、无害化、减量化和资源化,可通过化学途径将含炭较多的生化处理剩余污泥制成价格低廉的吸附剂。化学活化法制备的活性炭吸附剂性
能较好,最佳活化剂为ZnCl2 与H2SO4 复配试剂。其最佳制备条件为:活化剂ZnCl2 与H2SO4 浓度均为5 mol·L - 1 (ZnCl2 与H2SO4 复配比例为2∶1 ,活化温度550 ℃,固液比1∶2.5 ,活化时间2 h。制备的活性炭吸附剂碘吸附值为488.02 mg·g - 1 ,得率为86.6 %。活性炭吸附剂比表面积为144.47 m2·g - 1 ,孔体积为0105 mL·g - 1 ,微孔体积为0.02 mL·g - 1 ,平均孔径为38.51 nm。热分析干污泥在244.62 ℃失重( 约为34.19 %) ,失重成分主要是污泥中的有机物挥发组分。采用制备的活性炭吸附剂处理城市污水,COD 去除率较高,污水色度也有了较大改善。[10]
2．活性炭的结构
活性炭是疏水性吸附剂，在极性溶液中吸附非极性物质，总比表面积达500--1000m2/g,真比重（密度）为1.9--2.1,表观比重为0.08--0.45,沸点4200℃左右，不容于任何有机溶剂。活性炭在生产过程中，去除了碳晶间的多种碳化物及无序碳等，从而形成众多孔隙即多孔结构。活性炭的多孔结构可分为微孔、过渡孔和大孔若干类型。有效半径20埃以内的为微孔，其比表面积占总比表面积的90％以上，可以说，活性炭的吸附效能相当程度上取决于微孔。有效半径200--500埃范围内的为过渡孔，有使吸附物质进入微孔通道的作用。而500埃以上的属大孔，能使吸附物质快速进入微孔。活性炭成孔优劣或不同的孔隙结构及表面化学分，使它在实际应用中的效能或专一性存在差异。[1]
3．活性炭的用途
3．1 用活性炭作为吸附剂处理含Cr( Ⅵ)电镀废水
活性炭的吸附特性不仅与细孔构造和分布情况有关,而且还与活性炭的表面化学性质有关。活性炭本身是非极性的,其含量及电荷随原料组成、活化条件不同而异,低温活化( < 500℃)的碳可以生成表面酸性氧化物,水解后可以放出H+ 。由于活性炭表面有微弱的极性使其他极性溶质竞争活性炭表面的活性位置,导致非极性溶质吸附量的降低,而对水中某些金属离子交换吸附或络合反应,提高了活性炭对金属离子的吸附效果。
由于活性炭的特殊结构和特性,所以有极强的吸附力,它对铬离的有效吸附有以下几种情况:①物理吸附,即由于活性炭有极为的微孔,利用活性炭表面微孔,使吸附质Cr2O7 2- 通过大孔通道扩散到过渡孔和小孔中去,完成它的吸附过程。②化学吸收作用,活性炭的化学吸收功能是在其制造、活化过程中形成的炭表面的羧基( -COOH) 、羟基( - OH) 、羰基( = C - O)等含氧官能团,它们都具有静电吸附功能,能与Cr ( Ⅵ)形成表面络合物,完成化学吸附过程。反应如下:RO - OH+ Cr2O7 2- →RCO⋯H+ ⋯Cr2O7 2-③活性炭在强酸性条件下和Cr2O7 2- 可能发生还原反应,使Cr ( Ⅵ)部分还原为Cr3 + ,由于Cr3 + 离子半径比Cr2O7 2- 小得多,更容易扩散到活性炭表面的过渡孔和小孔中去,使吸附量大大增加。[2]
用活性炭吸附法处理电镀铬废水会产生大量污泥,若处理不得当就会产生二次污染,因此有必要把其中的铬回收起来。最简单的方法是:首先把污泥脱水,然后加热焚烧,产生下面的反应:3C + 2K2 Cr2O72-= 2K2CO3 + 2Cr2O3 + CO2 根据K2CO3 易溶于水, Cr2O3 难溶于水的差别,将其分离。把固体物资Cr2O3 烘干,可作为磨料使用。既回收了资源,又避免了二次污染。[2]
3．2 用活性炭吸附CS2
硫广泛存在于各种煤制合成气中, 其中CS2是有机硫存在的主要形式之一. 由于活性炭具有大量微孔, 故其成为脱除有机硫、去除CS2的主要方法. Freundlich 等温线是描述活性炭吸附CS2的最佳模型方程。活性炭吸附剂的比表面积和微孔容积是CS2吸附量大小的主要影响因素。活性炭吸附CS2为物理吸附。[3]
3．3 活性碳纤维（ACF）吸附水溶液中的二价铅离子
含铅废水广泛存在于电池、选矿、石油化工等行业中，若不进行有效处理就直接排放，会严重污染环境，危害人体健康和动植物生长。在目前的含铅废水处理中，一般采用的是化学沉淀法和离子交换法。化学沉淀法将离子转化为不溶性的盐和无机颗粒一起沉淀，其中氢氧化物沉淀法是较为常见的一种。化学沉淀法工艺比较成熟，但是大量的铅盐污泥不易处理，易造成二次污染。离子交换法利用离子交换剂来分离废水中的铅离子，这一方法铅离子脱除率高，可以再生，但是费用较高， 且再生存在一定困难。
活性碳纤维（ACF）是第二代纤维状碳质活性炭吸附材料，它耐酸耐碱，化学稳定性良好，对于低浓度吸附质也有较高的吸附量，且易于再生。因此，ACF 作为一种高效新型的吸附料，在废水处理中的应用越来越广泛。ACF吸附速度快，吸附效率高，最大的优点是它再生方便，这样可以对吸附质直接进行回收利用，减少二次污染，这符合现代工业水处理的发展要求和方向。用 ACF 来处理含铅废水，经较为系统的研究 ACF 对 Pb2+的静态和动态吸附，可得出以下主要结论：Pb2+在 ACF 上的吸附平衡，能够很好地符合 Langmuir 吸附等温式。吸附量和去除率都随吸附时间的延长而增大，大约 70 min 吸附基本达到平衡；适宜的 pH值范围为 4～6；吸附性能随温度的升高而有所降低，但影响不大。与其他吸附剂相比，ACF 在吸附容量上有明显的优势。动态吸附试验表明，ACF 吸附 Pb2+的穿透点为 180 ml， 吸附终点为320 ml， 具有较好的工程应用可行性。再生性能良好，吸附饱和后的 ACF 再生 3 次后，仍保持良好的吸附性能，可重复使用。[4]
3．4 活性炭纤维填充床脱除水中苯酚
工业废水中的苯酚对人体和环境危害极大,已引起人们的关注。工业上常采用较大比表面积和优良吸附性能的多孔颗粒状吸附剂如活性炭和树脂等处理这类废水,其中树脂法除苯酚国内已完成大量的研究工作,并实现工业化。但在实际操作过程中,对于颗粒状吸附剂吸附体可能会存在扩散阻力,导致吸附和解吸速率降低,吸附单元庞大,操作效率低。活性炭纤维是一种新型高效吸附剂。其吸附能力优于粒状活性炭,且再生容易;其扩散路径短,使之具有较高的吸附和脱附速率。用活性炭纤维填充床吸附法净化废水中苯酚,控制苯酚水溶液为酸性,活性炭纤维能有效地脱除废水中苯酚。当苯酚浓度变化范围为0 到0. 5 kg/ m3 时,吸附等温线符合Langmuir 方程。而且可以估算出活性炭纤维填充床的动态吸附能力可达0. 14 kg (苯酚) / kg (活性炭纤维) ;被苯酚饱和的活性炭纤维填充床可采用热的NaOH 稀溶液再生,再生后吸附效率达90 %以上。[5]
3．5 球状活性炭对几类中药有效成分的吸附
在中药的研究和生产中, 通常使用水提醇沉法、絮凝法、膜分离法等方法对中药提取液进行精制纯化, 但由于提取液成分复杂, 黏度大, 这些方法还普遍存在着除杂不彻底, 活性成分大量损失等问题。大孔吸附树脂法又因其本身含有未聚合单体、致孔剂以及降解产物等有机物质而未能进入实用化。球状活性炭吸附材料能够通过表面吸附、内部孔结构等方式选择性地吸附目标成分, 而且还具有优良的物理机械性能,无毒性有机物残留。球状活性炭吸附剂能对生物碱、黄酮和皂苷类物质的代表成分小檗碱、芦丁和薯蓣皂苷进行吸附，表观吸附容量大于大孔树脂的吸附容量。[6]
3．6 活性炭对水中重金属离子去除
活性炭可以吸附水中的Fe3+Cu2+Ni2+等重金属离子, pH 值、活性炭投加量是影响活性炭从废水中吸附重金属离子的主要因素。吸附容量随着pH值(临界pH 值下) 增大而增大,吸附容量随着活性炭的投加量增加而降低,但吸附率随活性炭投加量增加而增加。吸附机理为:一是重金属离子在活性炭表面可发生离子交换反应;二是重金属离子与活性炭表面的含氧官能团发生化学吸附;三是重金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附。吸附规律可以用Freundlich 模式和Langmuir 模式较好的拟合,线性相关系数均在0195 以上,说明三种金属离子在活性炭上的吸附属单分子层吸附。三种金属离子在活性炭上的吸附能力大小为:Fe3 + > Cu2 + > Ni2 + ,这是因为金属离子在活性炭表面发生的主要是离子交换吸附,哪种离子所带的电荷多些,哪种离子就利于吸附,所以Fe3 + 的吸附能力最强,而Cu2 + 和Ni2 + 虽然都带两个电荷,但由于Cu2+的原子序数高于Ni2 + ,所以Cu2 + 在活性炭上的吸附能力要高于Ni2 + 在活性炭上的吸附能力。[7]
3．7 活性炭纤维对气体中乙醇吸附
活性炭纤维具有吸附容量大,吸附、脱附速度快,使用方式多样等特点。乙醇废气未经妥善处理即排入大气,导致大量乙醇溶剂最后都散
发到作业环境和大气中去,不但浪费资源,而且给工人的健康和大气环境造成危害。可以用活性炭纤维作为吸附剂,吸附气体中乙醇。ACF 对乙醇的有一定的吸附能力,气体温度,气体流速,吸附时间对吸附过程均有影响,特别是温度的影响最大,随着温度的升高,活性炭纤维对乙醇的吸附量明显下降。活性炭纤维经再生后可重复使用,用于工业乙醇废气的回收具有十分明显的经济效益和环保效益。[8]
3．8活性炭纤维吸附法脱除废水中对氯苯酚
酚类化合物广泛存在于石油化工厂、树脂厂、焦化厂、炼油化工厂等排放的含酚废水中,它能与生物活体的蛋白质结合使其变性,最终引起组织损伤、坏死,导致生物中毒。因此,开发经济有效的脱除废水中酚类化合物的工艺是非常有意义的。可以用活性炭纤维对酚类化合物进行吸附。根据实验可知对氯苯酚在活性炭纤维上的吸附容量大,吸附速度快。PCP 的平衡吸附量随温度升高而降低。Langmuir 方程能较好地反映PCP 在ACF上的吸附等温线。吸附速率随时间的增加而递减,吸附时间存在较优值。床层高度、液体流速均对突破曲线有很大的影响,在溶液浓度、温度、流量均一定的情况下,较短的床层长度,较高的进料流速,都将使ACF 填充床更快突破。吸附PCP 达饱和的ACF 用热的NaOH 溶液再生,吸附容量几乎不变,再生效率可达86 %以上。[9]
4．结论
活性炭作为吸附剂，已经广泛应用于各环保行业，将来的发展应该使活性炭吸附的物质的种类更加多样，吸附的容量更加大，使活性炭的用途更加广泛。
参考文献
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[2]．刘晓明等，用活性炭为吸附剂处理含Cr( Ⅵ)电镀废水探讨，山东科技大学
报(自然科学版)2005（2）：117
[3]．郭 波等，活性炭吸附CS2的静态重量法研究，煤炭学报，2004（3）：354-358
[4]．李秋瑜等，活性碳纤维吸附水溶液中的二价铅离子，高科技纤维与应用，2005（5）：6－9
[5]．王祝敏, 王红心，活性炭纤维填充床脱除水中苯酚及填充床的再生，辽宁化工，2005（2）：53-55
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[7]．王桂芳等，活性炭对水中重金属离子去除效果的研究，环境保护科学，2004：26-29
[8]．杨 芬, 刘品华，活性炭纤维对气体中乙醇吸附性能的研究，曲靖师范学院学报，2004（3）：20-22
[9]．范俊刚等， 活性炭纤维吸附法脱除废水中对氯苯酚及吸附剂的再生，辽宁化工，2004（1）：1-3
[10]．余兰兰等，剩余污泥制备活性炭吸附剂及其应用研究3，安全与环境学报，2005（4）：39 |
