活性炭在環(huán)境治理和監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展華南師范大學(xué)

1、gQJ&叫N活性炭在環(huán)境治理和監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展葉雅(華南師范大學(xué)廣州510006)摘要綜述了活性炭在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。主要有水處理和氣體處理，并展望了活 性炭技術(shù)的前景和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞活性炭吸附測(cè)定新進(jìn)展The Present Situation and Development of Environmental Recovery andMonitor by Activated CarbonYe Ya(Department of Chemistry and Environment, South China Normal University,Guangzhou 510006, C

2、hina)Abstract：The application of activated carbon in environmentai field was reviewed, including the field of water treatment and the field of air pollution control .And it expects this treatments future and tendencyKey Words: activated carbon adsorption monitor development1-前言活性炭這種神奇的綠色環(huán)保吸附材料能夠更廣泛地

3、應(yīng)用到垃圾焚燒、室內(nèi)空氣凈化、高速 公路隧道以及大城市交通過(guò)密地區(qū)的空氣治理等新的領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)在有效降低其成本的同時(shí)， 針對(duì)特定的場(chǎng)合和目的有針對(duì)性地進(jìn)行改性，使其能夠更好地應(yīng)用于環(huán)境治理.活性炭材料具 有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性官能團(tuán)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸、耐堿、耐熱，不 溶于水和有機(jī)溶劑，使用失效后可以再生，廣泛地應(yīng)用于環(huán)保、化工、食品加工、濕法冶 金、藥物精制、軍事化學(xué)防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域2. 活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)是指孔隙容積、孔徑分布、表面積和孔的形狀?？讖綇膬簜€(gè)nm的微孔 到肉眼可以看到的大孔，孔徑分布范圍很寬，孔的形狀乂是各式各樣的?；钚蕴康奈侥芰?/p>

4、主 要決定于活性炭的孔結(jié)構(gòu)，這就決定了活性炭具有多種多樣的吸附能力和催化能力，而對(duì)吸附 起決定作用的則是微孔。在氣相吸附中，無(wú)論吸附分子大小，基本上存在微孔中，吸附容量在很 大程度上取決于微孔的多少。圖1活性炭材料的空隙結(jié)構(gòu)模型活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)表面化學(xué)性質(zhì)的不同對(duì)活性炭的酸堿性、潤(rùn)濕性、吸附選擇性、催化特性、電性質(zhì)等都產(chǎn) 生影響。因此,活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)的研究受到人們的高度重視?；钚蕴康闹饕厥翘?， 其次是氧和氫。氧和氫的存在對(duì)活性炭的吸附性能及其它特性有較大影響，這些元素多以化學(xué) 鍵與碳原子相結(jié)合，在活性炭表面上形成多種含氧官能團(tuán):酸性官能團(tuán)、中性官能團(tuán)和堿性官 能團(tuán),這也是活性炭最

5、主要的活性基團(tuán)。13. 活性炭在環(huán)保治理、監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)生方面的應(yīng)用作為吸附手段3. 1. 1防毒面具及濾毒通風(fēng)裝置活性炭用于防毒面具始于第一次世界大戰(zhàn)，并且成了推動(dòng)當(dāng)時(shí)活性炭工業(yè)發(fā)展的重要因 素。但山于氣體和蒸汽狀化學(xué)毒劑的種類最多，分子結(jié)構(gòu)和特性各異，單一的作用難以達(dá)到全 面濾毒的LI的，口前世界各國(guó)均將活性炭分別浸漬銅、銀、鋅等金屬氧化物以及毗噪、皮考咻 等制成專用活性炭一催化劑。美國(guó)稱作ASC活性炭或急特拉特活性炭。3.1.2活性炭材料在煙氣治理中的應(yīng)用煤炭燃燒在我國(guó)能源構(gòu)成中占有很大的比例，而煤燃燒過(guò)程中排放出的S02和NOHNO和 20）是主要的大氣污染物，所以煙氣污染是我國(guó)亟需解決的

6、環(huán)境問(wèn)題.在紛繁復(fù)朵的治理技術(shù) 中，活性炭材料脫硫脫硝因其處理效果好、投資運(yùn)行費(fèi)用低、實(shí)現(xiàn)“資源化”、且易于再生 利用等優(yōu)點(diǎn)而引人注U.尤其是改性后的活性炭材料其脫硫脫硝性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通的活性炭 材料.113. 1. 2. 1 SO：是主要的大氣污染物，是造成“酸雨”的主要原因,活性炭吸附法脫硫得到了廣 泛的應(yīng)用。但是，單一的活性炭脫硫，速度慢，效率低。提高活性炭脫硫的性能,改性活性炭引 起重視，它能克服普通活性炭的某些缺點(diǎn)和限制，被認(rèn)為是最有前景的脫硫劑之一。氨山于其 較小的分子量并有極性,而較難被吸附，因此，為了取得較好的吸附效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了數(shù) 種改性活性炭。結(jié)果表明，以亞鐵鹽和銅鹽

7、配方處理的活性炭對(duì)其有很好的吸附性能。3. 1. 2. 2汞是易揮發(fā)的劇毒物質(zhì)，對(duì)人體危害極大，因此汞蒸汽污染的防治是環(huán)保的重要課 題。經(jīng)化學(xué)處理的活性炭可以有效地脫除空氣或其他載氣中的汞蒸汽。例如，在活性炭中添加 碘、銀或者雙硫腺等的螯合劑，對(duì)汞蒸汽的吸附能力就會(huì)變得非常大。3. 1. 2. 3活性炭材料在空氣凈化中的應(yīng)用人們正在開(kāi)發(fā)各種高效空氣凈化器.活性炭材料因其優(yōu)異的吸附性能被廣泛地用作空氣凈 化器中的吸附劑3.1.3活性炭在水處理中主要用于：(1) 污水源的凈化.用活性炭吸附水中有機(jī)物、顏色、臭味、油、苯酚等；(2) 有機(jī)工業(yè)廢水處理.由于活性炭對(duì)水中的有機(jī)物具有突出的去除能力，對(duì)一

8、些難以被 生物降解的有機(jī)物更有獨(dú)特的去除效果而被用于制革廢水處理、造紙染料化丄廢水處理、焦 化廢水處理及其他有機(jī)廢水處理中.Tomaszewska等研究了Mavmee河中的有機(jī)污染物后指 出：常規(guī)的處理方法不能有效地去除河水中的一些殺蟲(chóng)劑等物質(zhì)，而活性炭則有較好的去除 效果，在河水中投入10 mg/L的活性炭可以將引起臭味的土臭素(Geosmin)和2屮基異茨酸 (MIB)從66mg/L 降到2mg/L；(3) 無(wú)機(jī)工業(yè)廢水處理.某些活性炭對(duì)于廢水中無(wú)機(jī)重金屬離子具有一定的選擇吸附能力.如顆粒狀活性炭對(duì)于Ag, Pd2, Cd2, CrO42等離子的吸附去除率可達(dá)85%以上.對(duì)其他金屬離 子如

9、錘、鈕、錫、汞、鉆、鉛、傑、鐵等均具有良好的吸附能力；(4) 飲用水及微污染水凈化領(lǐng)域.臭氧生物活性炭工藝以其可以高效去除水中溶解性有機(jī) 物和致癌突變物、出水安全、優(yōu)質(zhì)而備受囑H和重視.在這種工藝中，活性炭起著生物膜的 載體材料的作用，而且活性炭可以很快地把臭氧分解掉，使液體中的溶解氧量增加，穩(wěn)定了 微生物的生息環(huán)境，為好氣性微生物的生長(zhǎng)提供了保證.對(duì)主要污染物都有良好的去除效果， 出水清澈、無(wú)色，可以滿足多種回收使用要求.分析表明，大部分還原性污染物通過(guò)生物深 度處理而被去除，而微量有機(jī)物主要山臭氧生物活性炭去除.此匸藝系統(tǒng)具有除污染效率 高、運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).(5) 甲醛類物質(zhì)

10、含有撥基極性基團(tuán),可以通過(guò)在活性炭表面添加一些含2NH2的親水性有 機(jī)化合物，以期通過(guò)化學(xué)吸附和物理吸附共同作用來(lái)改善非極性的活性炭對(duì)醛類物質(zhì)的吸附性 能。作為監(jiān)測(cè)手段舉例一一氯的測(cè)定氯主要是鐳、社等元素經(jīng)a衰變而產(chǎn)生散逸到人們的活動(dòng)空間。它主要通過(guò)土壤和巖石的 空隙自山運(yùn)動(dòng)，從地下深處遷移到地表。在采用石灰?guī)r、磷酸鹽礦渣、磷石膏和煤渣磚建造的房 屋中，氯進(jìn)入建筑物的速率可以高達(dá)102 Bqn?h。所以，在地鐵、地下室、隧道和礦井中 氨的劑量會(huì)維持在一個(gè)高水平上，氣還溶于水，可從水中釋放出來(lái)。測(cè)定氯的方法主要有4類，即閃爍室法、雙濾膜法、電場(chǎng)收集子體法和活性炭法。其中山于 活性炭法使用簡(jiǎn)便，得

11、到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。南京大學(xué)最近研制出將被動(dòng)式活性炭采樣改為主動(dòng)式活性炭采樣盒。以高純錯(cuò)Y譜儀測(cè)量 222 Rn /220Rn的丫射線峰面積比,經(jīng)計(jì)算和校正后得到222 Rn和220 Rn的濃度。采樣盒由空 氣采樣泵、流量計(jì)、活性炭盒（內(nèi)裝椰殼顆粒狀活性炭）和時(shí)控電路組成。氯短壽命子體214 Po的352 keV峰為222 Rn特征峰，清晰可辨，山此算出222 Rn濃度。主動(dòng)式活性炭采樣系統(tǒng)是一 種體積小、耗時(shí)少、操作方便的大氣氯采樣裝置，尤適用于密閉空間（如隧道、地下室、地鐵） 中氯的采樣。3在環(huán)境衛(wèi)生中的應(yīng)用3. 3. 1室內(nèi)空氣凈化室內(nèi)空氣質(zhì)量是影響人體健康的主要環(huán)境因素之一。室內(nèi)空氣污

12、染物的種類和數(shù)量不僅隨 室外空氣污染狀況的變化而變化，而且與建筑物所處的地理位置、用途及人們的活動(dòng)等密切相 關(guān)。據(jù)調(diào)查監(jiān)測(cè)，室內(nèi)空氣中的污染氣體多達(dá)數(shù)十種，可分為無(wú)機(jī)污染氣體和有機(jī)污染氣體兩 類。無(wú)機(jī)污染氣體主要有：SO?、CO、NOx、CO,等。有機(jī)污染氣體主要有：易揮發(fā)性有機(jī)化合物，如甲醛、甲烷、乙烯、甲胺、丁烷、甲基硫醇、乙醛、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二氯甲烷等；揮發(fā)性有機(jī)化合物，如正 己烷、乙醇、苯、甲苯、三氯乙烷、丁醇、二甲苯、檸檬烯等；半揮 發(fā)性有機(jī)化合物，如尼古丁、磷酸三丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯 二甲酸二辛酯等。業(yè)已證實(shí)，活性炭纖維對(duì)上述污染氣體的吸附清除能力遠(yuǎn)大于顆粒狀活性炭。

13、以活性炭纖維為濾材的空 氣過(guò)濾器對(duì)二氧化硫和氮氧化物的最大去除率分別為和,使室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到規(guī)定的 衛(wèi)生要求。由此可見(jiàn)，活性炭纖維作為凈化室內(nèi)空氣的功能性材料具有廣泛的應(yīng)用前景。3.3.2勞動(dòng)防護(hù)用活性炭纖維氈作為夾層的防毒、防化口罩已經(jīng)面市?；钚蕴坷w維與超細(xì)纖維結(jié)合而成的 復(fù)合材料具有高強(qiáng)度的過(guò)濾性能和疏水性，用作口罩的罩芯還可起到隔離細(xì)菌的屏障作用，從 而使得用該復(fù)合材料制成的口罩具有防毒、防化、防塵和防菌的綜合效能。負(fù)載鉗、耙等金 屬離子的活性炭纖維能選擇性地除去一氧化碳，可用于制作防災(zāi)用口罩。8個(gè)人生理衛(wèi)生人體氣味包括腋臭、汗臭及排泄物的氣味等，惡臭的組分主要是胺類化合物、硫醇類化合

14、物和低級(jí)脂肪酸等。大量的試驗(yàn)研究已經(jīng)證明，活性炭纖維對(duì)惡臭氣體的吸附能力明顯大于顆 粒狀活性炭，具有優(yōu)良的除臭效果。同時(shí)，活性炭纖維還具有透氣、吸汗、耐洗滌等優(yōu)良性 能，因而，活性炭纖維可作為吸收人體氣味的襯墊材料，置于服裝的相應(yīng)部位，達(dá)到除臭的口的。 此外，活性炭纖維材料還可用作老年患者的坐墊或?qū)媺|等。利用活性炭纖維的除臭性能，可將 其與紙漿混合生產(chǎn)出具有獨(dú)特功能的活性炭纖維紙，繼而廣泛地用于紙質(zhì)生理衛(wèi)生用品。4化妝品中含有大量的乙醇(70% )，其同系物甲醇也時(shí)常被檢出，我國(guó)化妝品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 甲醇為限用物質(zhì).有研究應(yīng)用活性炭纖維型固相微萃取器定量分析化妝品中的甲醇，利用 ACF2SPME

15、法對(duì)化妝品中的甲醇進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：它有很大的吸附容量和較高的靈敏度5隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量及其重要性 的認(rèn)識(shí)也將更加深入，活性炭纖維在環(huán)境衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用必將更為廣泛。4. 活性炭材料的新進(jìn)展傳統(tǒng)的炭材料為粉狀或顆粒狀活性炭，隨著研究的深入，出現(xiàn)了許多新型炭材料，有的已 經(jīng)在環(huán)境工程中得到了應(yīng)用。甚至在作為環(huán)境相容材料，在仿生材料、綠色包裝、生態(tài)建材 等方面也極具前景?；钚蕴坷w維(ACF)ACF是繼粉狀活性炭、粒狀活性炭之后的第三代活性炭材料，已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng) 用。ACF具有比表面積大，吸附、脫附速度非?？?，重量輕，生成碳粉塵少的優(yōu)點(diǎn)，還

16、可以加 工成各種不同的形狀，可與其他性能的材料形成復(fù)合材料，容易再生再利用。ACF活化生成的 孔隙中90%以上是微孔，為ACF提供了巨大的比表面積。ACF具有脫除氮氧化物的能力，因此 應(yīng)用ACF可以實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝。ACF還廣泛應(yīng)用于飲用水凈化、勞動(dòng)防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、溶液回收 等方面。7中間相微球活性炭這種產(chǎn)品比表面積高達(dá)5000m7g,可用于存儲(chǔ)屮烷、天然氣，或用于分離CO,和其他大氣成 分。膨脹石墨膨脹石墨具有高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫低溫、耐腐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、安全無(wú)毒，還有高比表 面積、高表面活性，具有良好的吸附性能。它對(duì)低濃度的N0=. SO.以及甲烷等有機(jī)蒸汽有明顯 的吸附效果，并且再生處理非常

17、簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好。膨脹石墨能選擇性的除去水中的非水性溶 液，能被用于海上吸附浮油。納米碳管納米碳管具有獨(dú)特的性質(zhì)，可以再不同的領(lǐng)域得到應(yīng)用。如用做電子槍、電子開(kāi)關(guān)、超級(jí) 纖維、高溫部件的防護(hù)材料等。納米碳管的應(yīng)用熱點(diǎn)是高能量密度物質(zhì)的儲(chǔ)存。推測(cè)單壁管 的儲(chǔ)氫量可達(dá)10% （質(zhì)量比），關(guān)于其儲(chǔ)存比、CH；等實(shí)驗(yàn)和理論研究都在進(jìn)行。此項(xiàng)技術(shù) 如果能夠突破，則可用于汽車的燃料電池，能極大的緩解化石能源的匱乏和減輕汽車排氣污 染。6參考文獻(xiàn)：11張春山邵曼君，活性炭材料改性及其在環(huán)境治理中的應(yīng)用，過(guò)程工程學(xué)報(bào)2005年第5卷2 江霞蔣文舉金燕張振鵬，改性活性炭在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，環(huán)境科學(xué)與技術(shù)第26卷第5期2003年9月3 陸繼根夏元復(fù)，活性炭法測(cè)定地下建筑中的氯，環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，第17卷第2期 2005年4月41馬海燕倪吾鐘，活性炭纖維的性