活性炭在水處理中的應用

姚煊

華南師范大學化學與環境學院廣州510006

摘要：活性炭由于具有良好的吸附性能，化學性能穩定，可耐強酸及強堿，能經受水浸、高溫、比水還輕，是多孔性的疏水性吸附劑，故已廣泛的應用于處理城市飲用水和工業廢水處理中，是污水處理的有效手段。

關鍵詞：活性炭，水處理

水體污染已經成為當今世界各國普遍關注的問題。人們將各種不同材料應用于水處理研究領域，以尋求更有效的方法，提高用水和排水質量，減少污染。但近年來，隨著污染物種類的增多，污染成分越來越復雜，采用常規水處理方法已不能滿足要求，必須進行深度處理。一些作用單一的材料和方法已不適用。所以，來源廣泛且容易再生，能反復利用的活性炭(AC)得以廣泛應用，其強大的吸附能力和良好的機械強度使它不僅能直接作為優良的吸附劑應用于水處理中，而且還可以與其他材料聯合應用，作為催化劑及催化劑載體。

活性炭屬無定型炭，由許多呈石墨型的層狀結構的微晶不規則地集合而成，具有結晶缺陷。這些內部結構使活性炭在水處理中不僅具有吸附能力，還能起到催化作用。活性炭內部有無數微細孔隙縱橫相通，其孔徑為1×10-10～1×10-6m，特別1×10-10～1×10-9m的微孔居多，使活性炭具有巨大的比表面積(可達1000m2/g)。這些物理特性也是活性炭具有強大吸附能力的原因之一。[1]活性炭吸附能力的大小不僅與本身性質有關，還與被吸附物質的分子結構、溶解性和離子化程度等有關。

活性炭按形狀分為粉末活性炭(PAC)和顆粒活性炭(GAC)。目前溶液的精制脫色和水處理等液相吸附多采用粉末活性炭，以間歇接觸方式進行。水處理中也常采用顆?；钚蕴浚谝合辔街?，顆?；钚蕴恐饕糜诠潭ù?、移動床和流動床等處理方式。

在凈化給水方面，活性炭不僅對色、嗅去除效果良好，而且對合成洗滌劑也有較高的吸附能力。利用活性炭去除水中大部分有機物是其重要應用之一。此外，活性炭還能有效地去除幾乎無法分解的氨基甲酸酯類殺蟲劑和COD、Mn等。由于活性炭能有效地去除水中的游離氯和某些重金屬(如汞、銻、錫、鉻等)，且不易產生二次污染，所以也常被用于家庭用水及飲用水的凈化處理工藝中。

在處理工業廢水中，活性炭主要用作最后的深度處理。對于石油化工和印染這類COD、BOD含量較高的廢水，活性炭也可用于二級處理組合系統。而制藥廢水由于藥物品種繁多，廢水成分復雜，相應的廢水處理方法也大不相同。多數情況下需要將幾種處理工藝組合起來，活性炭往往在組合工藝中最后的深度處理中應用?；钚蕴靠梢耘c不同的材料聯合應用，組成新的工藝技術，以取得更好的處理效果。例如臭氧-生物活性炭(O3-ＢＡＣ)污水回用技術。[2]

活性炭改性：活性炭改性就是指用一定的方法處理活性炭使其表面官能團性質及數量發生變化。不同的處理方法可以得到不同的改性活性炭〔5～7〕。用O3與NaOH對活性炭改性后，活性炭表面含氧官能團，尤其是酚類和羧基類基團明顯增多；而經過硝酸氧化則可顯著增加其表面酸性基團的含量。在實際應用時，應根據被處理水的水質來確定如何進行活性炭表面改性。若用濃硝酸氧化，則活性炭表面酸性基團增多，親水性增強，這就不利于活性炭對水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有機物的吸附。因此，以去除有機污染物為目的的活性炭表面改性的研究方向應為：減少表面內酯基及羧基等含氧官能團的含量，增加活性炭表面的疏水性。白樹林等人利用改性活性炭對水溶液中Cr(Ⅲ)進行吸附研究中發現，用HNO3(11)氧化的活性炭在300～400℃下進行熱處理，其表面可產生較多的酸性基團，獲得較高的陽離子交換量，對重金屬離子Cr(Ⅲ)有很好的吸附交換能力〔8〕；而若將氧化處理的活性炭在高溫下(800℃以上)灼燒，則其表面會產生較多的堿性基團，獲得較高的陰離子交換容量，對陰離子表現出較強的吸附交換能力。

活性炭與膜聯用：根據孔的大小，膜一般分為反滲透膜(RO)、納濾膜(NF)和超濾膜(UF)。作為一種新興工藝———活性炭與納濾膜、超濾膜聯用，被廣泛研究并應用于水處理中。此工藝顯著優點是能有效的去除水中的病原菌。因此，主要應用于飲用水的深度處理，為生產安全優質飲用水提供了保證。活性炭與膜聯用能有效解決單獨使用膜過濾而引起的膜阻塞和膜污染問題。利用活性炭對進水進行必要的前處理，以減少水中的有機物、無機物、微生物等在膜表面和膜內孔積累，從而極大地延長了膜的使用壽命。而膜的存在又可以克服單獨使用活性炭的弱點，解決活性炭出水中細菌數偏高的問題。　活性炭與超濾膜的聯用，能有效地去除水中的COD、Mn、溶解性腐殖酸和富敏酸(UV254)和大腸桿菌，尤其是對UV254以及相應的消毒副產物有較高的和穩定的去除效果。GC/MS分析結果顯示，經該組合處理后，水中有機物的總譜峰面積減少了71。7%(即由原水的4753919減少到出水的1342992)[4]，

活性炭與納濾膜聯用能有效地去除進水中大部分TOC和Ames致突變物，使Ames試驗結果均呈陰性[5]。董秉直等人對超濾膜與混凝粉末活性炭聯用所做的研究也表明活性炭與膜的組合不僅可有效地去除溶解性有機物，還能降低膜過濾的阻力，提高透水量和防止膜污染[6]。此組合是獲得優質飲用水的有效處理工藝。

活性炭與微生物聯用：在利用微生物進行水處理的體系內，無論厭氧型微生物還是好氧型微生物都可以使用活性炭作為載體與之聯用，現在比較成熟的技術主要有兩種：活性炭厭氧流化床和生物活性炭。厭氧流化床反應器適用于高濃度有機廢水的處理。例如，應用于對含酚質量濃度為1000mg/L的廢水的處理效果就很好，通過活性炭吸附，微生物分解，酚、CODCr和TOC的去除率可以分別達到99%，96%和97%。近年來也有人研究出一種新型載體———多孔聚合物載體，雖然處理效果稍好于單純活性炭，但其造價太高，所以目前活性炭厭氧流化床方法仍有一定應用研究空間?！∩锘钚蕴渴侵妇哂芯薮蟊缺砻娣e及發達孔隙結構的活性炭，對水中有機物及溶解氧有很強的吸附特性，將其作為載體，使其成為微生物聚集、繁殖生長的良好場所，在適當的溫度及營養條件下，同時發揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用的水處理技術，稱為BAC法。BAC法是活性炭吸附與生物降解的協同作用，微生物活動對活性炭起到再生作用，能使20%～24%的活性炭得到再生。因此，生物活性炭大大延長了活性炭的再生周期。而活性炭也可減輕廢水中有害物質對微生物的影響。目前，采用的BAC法多為好氧活性炭裝置，所以，為保護裝置內良好的好氧條件，可采用臭氧預氧化。此技術在歐洲水處理中應用很廣，對多種廢水的處理顯示出了良好的處理效果。

總之活性炭應用于水處理至今，已有了很大發展，從開始單一活性炭吸附轉變為現在的多種工藝方法聯合應用。通過兩種甚至多種材料之間的相互促進協同作用，可以取得更好的處理效果，這種聯合所起到的作用往往要好于各種單一方法所起作用的加和。但目前存在的聯合工藝并不是每種都很完善，有的雖然提高了污染物的去除率，可成本偏高或者操作程序上比較煩瑣，這些都給活性炭聯合工藝的推廣帶來一定的困難。所以，今后活性炭的研究應該從高效能、低成本、易操作等各方面綜合考慮，也就是環境效益與經濟效益的統一。

隨著水體污染的日益加劇和水質標準的提高，各國對活性炭的應用方法的深入研究更為重視?；钚蕴颗c其他材料的聯合也并不是都會取得理想的處理效果，成功的組合需在大量的試驗中摸索。不過，可以預見，活性炭作為水處理中不可缺少的材料，必將得到更廣泛地研究和應用。

參考文獻

[1]于洪斌,丁蘊錚. 活性炭在水處理中的應用方法研究與進展. 工業水處理, 2003年8月第23卷第8期

[2]袁志容,王曉昌,馬正國. 臭氧-生物活性炭污水回用技術研究. 西南給排水, Ｖｏｌ.27　 NO.52005

[3]李光明,王華,陳玲,趙建夫. 多相催化濕式氧化法再生活性炭反應條件. 同濟大學學報, 2004年5月第32卷第5期

[4]王琳,等. 活性炭與超濾組合工藝深度處理飲用水[J]. 中國給水排水, 2002,18(2)：1–4

[5]龍小慶,王占生. 活性炭-納濾膜工藝去除飲用水中總有機碳和Ames致突變物[J]. 環境科學, 2001,22(1)：75-77

[6]董秉直,等. UF膜與混凝粉末活性炭聯用處理微污染原水[J]. 環境科學, 2001,22(1)：37-40