劉宗亮++陳明功++張濤

摘要 活性炭是無(wú)定形的炭黑粉末或顆粒、塊狀、蜂窩，具有有序的晶體碳，具有極其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積。因其良好的吸附性和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域。綜述了活性炭的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)和活性炭的改性，并總結(jié)了活性炭在廢水處理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 活性炭；吸附性；污水處理技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）22-0171-02

Abstract Activated carbon is amorphous carbon black powder or particles，showed block and honeycomb，with an orderly crystal carbon，extremely rich pore structure and huge surface area. Due to its good adsorption and rich pore structure，it has been widely used in industry，medicine，agriculture，environment and other fields.This paper summarized the characteristics，structure，surface chemical properties and modification of activated carbon，as well as the application of activated carbon in waste watertreatment.

Key words activated carbon；adsorption；waste water treatment technology；application

活性炭具有優(yōu)越的吸附能力和巨大的孔隙結(jié)構(gòu)，在多個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境的不斷惡化，對(duì)水環(huán)境治理技術(shù)的不斷深入研究也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，活性炭也因其自身所具備的優(yōu)越特性，在水環(huán)境治理領(lǐng)域大顯身手，逐漸被人們所熟知。它強(qiáng)大的吸附能力，能夠?qū)⑺w中的懸浮顆粒物、重金屬、一些有毒有害物質(zhì)有效地去除[1]。在污水凈化領(lǐng)域中有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景?；钚蕴吭诙囝I(lǐng)域的大量使用，其本身所具備的特性已不能滿足現(xiàn)代工藝的要求。因此，從經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)運(yùn)行工藝角度出發(fā)，改變活性炭分子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化原本的功能特性，使其在污水凈化領(lǐng)域中發(fā)揮更大作用。

1 活性炭材料的改性

活性炭的成分除了主要的碳成分，還含有少量的氧和氫，由于不規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)構(gòu)成了活性炭多微孔體積和高表面積的特性[2]?；钚蕴康奈阶饔弥饕Q于活性炭孔道結(jié)構(gòu)的分布、比表面積的大小等，因此從這些角度出發(fā)，通過(guò)物理和化學(xué)方法改變活性炭材料分子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)活性炭的改性，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能。

1.1 活性炭表面物理結(jié)構(gòu)的改性

活性炭的表面物理結(jié)構(gòu)包括活性炭的比表面積、孔體積、結(jié)構(gòu)和孔徑分布，活性炭的吸附性則能受孔徑大小和吸附表面積的限制，表面積越大，孔徑與被吸附顆粒物相當(dāng)，吸附效果越好。可以通過(guò)熱收縮法、浸漬覆蓋法氣相熱解等物理方法，提高活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面積的比例、孔徑大小及其活性炭材料的吸附表面結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改善活性炭材料的物理吸附性能的目的[3]。

1.2 活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的改性

活性炭分子結(jié)構(gòu)中存在不飽和鍵，在活化過(guò)程中，氧與其他原子之間形成各種官能團(tuán)，因而活性炭表現(xiàn)出多種吸附特性，如選擇性、酸堿性、催化特性等。因此，從活性炭的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用物理和化學(xué)方法改變活性炭表面的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其成為特定吸附過(guò)程中的活性點(diǎn)，從而可以控制其親水/疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結(jié)合能力[4-5]。表面化學(xué)性質(zhì)的改性主要由兩方面決定：一是制備方法，即活化工藝；二是后處理技術(shù)，即表面改性技術(shù)。化學(xué)方法包括氧化修飾、金屬改性、酸堿改性及電化學(xué)改性。

2 活性炭材料在生活污水處理中的應(yīng)用

水污染主要來(lái)源有兩大方面，即工業(yè)廢水和生活廢水。生活廢水除了包括人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的廢水外，還包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的廢水，這主要集中在農(nóng)村廣大地區(qū)。活性炭作為一種重要的吸附劑在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，改性活性炭具有比較強(qiáng)的吸附作用和催化作用，可再生、環(huán)保、安全性高，在水環(huán)境治理方面已被廣泛使用。

2.1 影響活性炭水處理的因素

2.1.1 活性炭的性質(zhì)。因?yàn)榛钚蕴康奈阶饔弥饕诓牧系谋砻婧涂椎纼?nèi)進(jìn)行，比表面積越大，孔隙與吸附粒子的尺寸大小相當(dāng)，吸附性能越好。通過(guò)對(duì)活性炭材料物理結(jié)構(gòu)的改性對(duì)孔隙大小和比表面積的調(diào)整，使活性炭的微孔尺寸與吸附分子尺寸相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)活性炭吸附性能的最佳化。

2.1.2 吸附質(zhì)的性質(zhì)。一是溶解度。活性炭良好的吸附性可以將水中大部分的有機(jī)污染物、重金屬、懸浮大顆吸附。溶解度越小，越易被吸附[6]。二是溶液pH值的影響?；钚蕴繌乃形接袡C(jī)污染物質(zhì)的效果，一般隨溶液pH值的增加而降低，pH值高于9.0時(shí)，不易吸附，pH值越低時(shí)效果越好[6]。三是溶液溫度的影響。吸附過(guò)程是污染物分子被吸附到固體表面的過(guò)程。溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，不利于吸附作用。吸附過(guò)程是放熱過(guò)程，所放出的熱稱為該污染物在此固體表面上的吸附熱。吸附熱越大，溫度對(duì)吸附的影響越大[7]。而且，對(duì)一般物質(zhì)而言，溫度越高，溶解度越大，因此對(duì)吸附效果也有影響。除此之外，吸附操作條件、多組分吸附質(zhì)共存等都會(huì)影響活性炭的吸附效果，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)多種因素綜合考慮，設(shè)計(jì)最佳吸附條件，實(shí)現(xiàn)吸附效果的最優(yōu)化。

2.2 活性炭材料在污水處理中的應(yīng)用

活性炭作為現(xiàn)存比較理想的吸附劑，其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的吸附性和催化功能，耐酸堿、耐高溫、易再生、不會(huì)產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，受到人們青睞。活性炭可有效地吸附水中的有機(jī)物、顏色、臭味、油、苯酚等，對(duì)水質(zhì)渾濁有明顯澄清作用。

活性炭吸附方式有固定床、移動(dòng)床、流動(dòng)床和接觸式吸附，其中粉末活性炭的吸附方式只有接觸吸附一種。粉末活性炭吸附水中雜質(zhì)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，是幾種作用力共同作用的結(jié)果，包括離子吸引力、范德華力等[8]。因?yàn)榉勰┗钚蕴烤哂型斗藕?jiǎn)便、設(shè)備投資省、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在歐美等國(guó)家的污水處理中被廣泛使用。近些年，隨著環(huán)境的不斷惡化，水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，水質(zhì)凈化對(duì)活性炭的需求量增大，我國(guó)對(duì)粉末活性炭的研究和應(yīng)用也在不斷加深認(rèn)識(shí)，并取得了一定成果。在不斷的實(shí)踐中，顆粒活性炭的優(yōu)點(diǎn)也日益凸顯出來(lái)。顆粒活性炭過(guò)濾吸附床去除臭味的使用壽命為3年，而且具有良好的過(guò)濾性能，使濾出水濁度達(dá)到0.5度以下[9]。隨著對(duì)活性炭?jī)艋夹g(shù)的深入研究，一些新興活性炭?jī)艋夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將逐步被應(yīng)用到實(shí)際工程中。對(duì)于生活污水的處理，BAC技術(shù)在處理污水中獲得了較好的效果，備受青睞。特別是該方法結(jié)合了物理吸附和生物降解兩者的優(yōu)點(diǎn)，在去除非離子合成表面活性劑方面有良好的效果。研究表明，BAC使廢水中的活性炭吸附和微生物對(duì)有機(jī)物的降解活性可達(dá)到活性炭的吸附為微生物提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物對(duì)活性炭的再生提供可能的雙重作用[10]。

活性炭在污水治理領(lǐng)域的大面積使用，使水環(huán)境的治理取得一定成果。然而同樣存在許多問(wèn)題，在處理污水過(guò)程中，活性炭由于巨大的比表面積、良好的生物相容性和濕潤(rùn)的環(huán)境，為細(xì)菌、霉菌等微生物提供了良好的生存環(huán)境，微生物過(guò)量的生長(zhǎng)繁殖造成水中細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)。微生物可以將水中氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，其代謝產(chǎn)物會(huì)對(duì)已凈化水體造成二次污染。因此，細(xì)菌、霉菌等微生物的滋生是活性炭在污水處理過(guò)程中的主要問(wèn)題[11]。鑒于目前活性炭在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域中的重要作用，其本身所存在的功能已不能滿足在生產(chǎn)工藝中的要求。隨著對(duì)活性炭材料的表面化學(xué)性質(zhì)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的改性方法的深入探究，未來(lái)的活性炭材料應(yīng)向著高效、智能、簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。

3 參考文獻(xiàn)

[1] 彭怡，古昌紅，傅敏.活性炭改性的研究進(jìn)展[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（6）：577-580.

[2] 陳玉芳.活性炭在凈水處理中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2008（6）：53.

[3] ANIA C O，CABAL B，PEVIDA C，et al.Effects of activated carbon properties on the adsorption of naphthalene from aqueous solutions[J].Applied Surface Science，2007，253：5741-5746.

[4] BHATNAGAR A，HOGLAND W，MARQUES M，et al.An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applic-ations[J].Chemical Engineering Journal，2013，219：499-511.

[5] ZHAO Ying，WANG Ziqiang，ZHAO Xin，et al.Antibacterial action of silver-doped activated carbon prepared by vacuum impregnation[J].Applied Surface Science，2013，266：67-72.

[6] 馬青蘭，王增長(zhǎng)，李敏敏，等.活性炭?jī)艋瘡U水處理研究[J].新型炭材料，2002（1）：59-61.

[7] 金博君.活性炭在凈水處理中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012（14）：44.

[8] 王煥英.活性炭?jī)艋夹g(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用[J].綠色科技，2012（3）：170-171.

[9] 賈長(zhǎng)娟，李洪升，張偉.淺談活性炭在水質(zhì)凈化中的作用[J].黑龍江紡織，2002（1）：22-23.

[10] 商靜宇.生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究[J].能源與環(huán)境，2009（5）：50-52.

[11] 宮銘.活性炭在污水凈化領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015（增刊2）：433-436.