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活性炭在水处理中的应用
活性炭在水处理中的机理和应用
绪论： 活性炭应用于水处理己有很长的历史，水的除氯首选活性炭吸附，只需极短接触时间即可完成。由于活性炭表面能大，来源广，价格便宜，是普遍用到的吸附材料，基于这些优点，活性炭吸附工艺也成为目前去除水中有机物的首选工艺。本单位的纯水工艺中就利用了活性炭过滤器，处理效果也相当的明显。本文讲述了活性炭作为固体吸附剂的性质，同时也介绍了活性炭在水处理中的应用和展望。
关键词： 活性炭 吸附 表面能
1.前言
活性炭颗粒任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低界面张力的办法来降低界面张力的方法来降低表面能，这也就是固体表面能产生吸附作用的根本原因。由于活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，对水中溶解的有机物具有较强的吸附能力，而且在所以有的纯水工艺中都得到了有效的利用。活性炭是一种经特殊处理的炭，具有无数细小孔隙，表面积巨大，每克活性炭的表面积为500-1500平方米。活性炭有很强的物理吸附和化学吸附功能，而且还具有解毒作用。解毒作用就是利用了其巨大的面积，将毒物吸附在活性炭的微孔中，从而阻止毒物的吸收。同时，活性炭能与多种化学物质结合，从而阻止这些物质的吸收。在水处理生产中应用的活性炭种类有很多。一般制成粉末状或颗粒状。粉末状的活性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，但再生比较困难。在纯水工艺中，通常是颗粒状活性炭过滤器，颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并且使用操作方便简单。因此在纯水处理中较多采用颗粒状活性炭。活性炭过滤器的再生反冲是相当重要的，反冲流速应以 10gpm进行，约30分钟；接着是正冲和排水步骤，约15分钟。经过一段时期的使用后，通常是 2 年，炭的吸附能力将会耗尽，过滤床必须换上新的活性炭。
2.活性炭的性质及在水处理的作用
活性炭是纯水处理吸附法中广泛应用的主要吸附剂，其有效粒径一般约0.4--1.0MM，均匀系数约为1.4--2，有粒状和粉末两种结构，由于我公司的纯水工艺系统中主要是有粒状活性炭组成，因此，本文主要研讨粒状活性炭的相关性质以及处理效果，如下表2.1别出了粒状活性炭去除有机物的效果。
表2.1 粒状活性炭层除去有机物效果
项 目 原 水 凝聚沉淀处理水 粒状活性炭处理
BOD(mg/L) 200-400 <1 1
COD(mg/L) 400-600 30-60 3-16
洗涤剂(mg/L) 2-4 1.1-2.9 0.002-0.005
活性炭是一种多孔性含炭物质，具有发达的微孔构造合巨大的比表面积。它包括许多种具有吸附能力的碳基物质，能够将许多化学物质吸附在其表面上。主要的物理特性指孔隙结构及其分布，在活化过程中晶格间生成的孔隙形成各种形状和大小的微细孔，由此构成巨大的吸附表面积，所以吸附能力很强。活性炭是具有最强的吸附能力的物质之一，但由于活性炭的总类多，其中它们的空隙也都不一样。
表2.2 用于纯水处理的活性炭典型的规格
总表面积 850-1500M2/G
堆密度 0.416g/cm3
在水中侵湿过的颗粒密度 1.3-1.4g/cm3
有效粒径 0.8-0.9mm
均匀系数 1.9或更小
平均粒径 1.5-1.7mm
碘值 最低850
腐蚀值 最低70
灰分 最高8%
活性炭吸附能力是没有极性的，一般是可逆的，但实践中发现，它也可以进行一些选择性吸附，即化学吸附，这是由于在活性炭制造过程中还形成部分表面氧化物基因，使活性炭中的碳离子具有一定的极性所致。列如当制作温度在300-500度时，酸性氧化物占优势，这种酸性氧化物在水中离子化时，活性炭就带负电荷，制作温度在800-900度时，活性炭具有两性性质，由测电位得知，一般活性炭就带负电荷，它在溶液中显弱酸性，在PH值较低的酸性条件下，吸附较好。反之，在PH值较高的碱性条件下，吸附则较差。活性炭的选择性吸附，不但可吸附电解质离子，还可以进行离子交换吸附。经活性炭吸附还可使用高猛酸钾耗氧量。
总之，在高纯水制造过程中，活性炭吸附的作用表现在四个方面：①降低水的氧化要求；②避免有机物竟如，破坏混床系统；③除去说中残留的氯；④ 除去水中三卤化物
3.活性炭的作用机理
如前所诉，活性炭表面吸附既有物理吸附，又呈现一定的化学吸附。它可以去除水中的氯、氯胺。活性炭在制造过程中，其挥发性有机物被去除，晶格间生成了空隙，形成许多不同形状、不同大小的细孔。通常活性炭颗粒中的孔隙占颗粒总体积的70%～80%。这些孔隙形状多样，孔径分布范围很广，细孔壁的总表面积即比表面积一般高达500～1700平方米/克。
活性炭脱氯并非单纯的吸附作用，而是在碳的表面上催化了某些化学反应，从而就会产生一系列的化学反应：
Cl2+H2O活性炭HOCl+H++Cl-
C*+XHOCl COX+XH++XCl-
（式中C*代表活性炭， COX代表表面上的X=1或2。若有充分的氯参加反应，可使CO或CO2放出。）
在吸附过程中，真正决定吸附能力的是微孔结构。全部比表面几乎都是微孔构成的。粗孔和过渡孔分别起着粗、细吸附通道作用，它们的存在和分布在相当程度上影响了吸附和脱附速率。此外，活性炭吸附性质还受活性炭表面化学性质影响。活性炭还能与水中的氯胺发生反应。主要分两步，先是二氯胺与碳作用：
C*+2NHCl2+XH2O活性炭 N2+（2+2X）H++Cl-+COX
当碳的表面上形成了氧化物COX时，一氯胺开始反应：
2XNHCl2 + COX 活性炭 XN2+XH2O+2XH++2XCl-+C*
活性炭过滤器利用活性炭的吸咐性能去除液体中的杂质使液体得到净化，其吸附能力体现在以下几方面： （1）能吸附水中的有机物、颗粒、微生物。 （2）可吸附氯、氨、等非金属物质。 （3）可吸附金属离子，如铁、钙、六价铬、汞等离子。 （4）可有效去除色度和气味去水中热源，延长交换树脂的使用寿命。 小型纯水机因制水量小，用多通道水质预处理器替代复杂的预处理系统，大大降低了初始投资成本。
4.活性炭在水处理的位置和使用条件
在高纯水制备系统中，活性炭过滤器的放置一般有两种方案：
方案1：源水 凝聚加氯 过滤 RO 活性炭 混床 后处理
方案2：源水 凝聚加氯 过滤 还原剂 活性炭 RO 混床 后处理。
以上两种方案各有优缺点，需视源水情况而定。应该注意，活性炭本身也是水的污染源之一，运行中应特别注意勿使活性炭粉末被带入纯水系统，反冲时速率不能太大，在纯水处理中，活性炭过滤器底部由多层尺寸大小不同的石英砂支撑，上部装填活性炭。活性炭在使用过程中应经常检查进出口的压差，及时进行反冲和更换。
具体的使用条件可分为四大部分：
活性炭的预处理
粒状活性炭进柱前应在清水中侵泡、冲洗去除污物，装柱后再用2%HCL及4%NaOH溶液交替动态处理1—3次，流速18—21m/h ，用量约为活性炭体积的3倍左右，每次处理后均需淋洗中性为止。
适用进水条件
进入活性炭柱的水应该尽量去除大颗粒的悬浮物的胶体物质，以防堵塞碳的细孔和使碳层孔隙堵塞，以提高活性炭的吸附效果，一般要求进水中的悬浮物含量小于3—5mg/l。
活性炭柱吸附终点的控制
应根据去除物的性质而定。如以余氯泄漏量作控制点，则应控制出水中耗氧量与总阴离子含量的比值小于0.004。
活性炭的再生
当活性炭的吸附能力丧失后，可通过再生方法恢复（反冲和正冲）。
5.结语
当前中国使用活性炭吸附法高纯水的方法处于发展阶段。一些有关的理论和技术还不够成熟。而且，在我国，目前活性炭的供应比较紧张，再生设备少，再生费用高，只能靠物理再生来使活性炭恢复，从而限制了活性炭的广泛使用。不同应用需要不同功能的活性炭。原有的活性炭产品不能满足新的要求，因而不断开发新的活性炭产品就显得十分重要。所以，它需要专业工作者的积极参与和政府的鼎力支持，采取多学科交叉与融合的研究方法，使活性炭处理废水技术向着更加科学美好的方向发展。
参考文献
（1）.闻瑞梅，王在忠 ， 高纯水的制备及检测技术第一版 科学出版社1997年2月
（2）.闻瑞梅，王在忠，水处理技术，19（1）1，1993.
（3）.王振绅等,电渗析和反渗透(水处理),上海科学技术出版社,1980.
（4）.王广庆，费学宁，王连生 活性炭吸附及组合工艺在水处理中的应用和发展状况 天津城市建设学院学报 第9卷 第1期 2003年3月 （5）.赵雪娜，费学宁，王连生，王广庆 厌氧－混凝－活性炭吸附法处理染料生产废水天津城市建设学院学报 第10卷 第3期 2004年9月 |
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发表于 2009-3-17 21:05:24
