活性炭在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用-華南師范大學(xué)-精品課程建

1、活性炭在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用曾丁才（華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣州 510631）摘要 本文全面介紹了活性炭在環(huán)境保護(hù)工作各個(gè)方面的應(yīng)用，包括大氣污染控制諸如煙氣脫硫脫硝、生活環(huán)境氣體凈化、溶劑回收等，以及水污染控制中的應(yīng)用，并介紹了改性活性炭應(yīng)用與環(huán)境污染控制的良好前景。關(guān)鍵詞 活性炭 環(huán)境保護(hù) 大氣污染控制 水處理活性炭材料作為一種性能優(yōu)良的吸附劑，主要是由于其具有獨(dú)特的吸附表面結(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)性能所決定的?；钚蕴坎牧系幕瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸、耐堿、耐熱，不溶于水與有機(jī)溶劑，可以再生使用，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品加工、冶金、藥物精制、軍事化學(xué)防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。目前，改性活

2、性炭材料被廣泛用于污水處理、大氣污染防治等領(lǐng)域，在治理環(huán)境污染方面越來越顯示出其誘人的美好前景。1活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)活性炭屬無定型炭，由許多呈石墨型的層狀結(jié)構(gòu)的微晶不規(guī)則地集合而成，具有結(jié)晶缺陷。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)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?；钚蕴?jī)?nèi)部有無數(shù)微細(xì)孔隙縱橫相通，其孔徑為1 10 - 101 10 - 6m ，特別是1 10 - 101 10 - 9m 的微孔居多，使活性炭具有巨大的比表面積(可達(dá)1 000 m2/ g) 。這些物理特性也是活性炭具有強(qiáng)大吸附能力的原因之一?；钚蕴靠梢杂媚绢^、煤、椰殼、鋸末等各種含碳的物質(zhì)經(jīng)一系列工藝過程制得。由不同原料制得的活性

3、炭具有不同的硬度、粒徑大小和比表面積。所以，不同型號(hào)活性炭有各自的應(yīng)用領(lǐng)域。如由煙煤制成的活性炭具有從微孔到大孔的各種孔徑，因此，對(duì)高分子有機(jī)物有較好的吸附能力;而用椰殼制成的活性炭比表面積很大，但大孔少，所以比較適用于低分子有機(jī)物的吸附?；钚蕴课侥芰Φ拇笮〔粌H與本身性質(zhì)有關(guān)，還與被吸附物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、溶解性和離子化程度等有關(guān)1。與硅膠、沸石等吸附劑相比，活性炭主要有以下特點(diǎn)：（1）活性炭是非極性吸附劑，能選擇吸附非極性物質(zhì)，對(duì)極性物質(zhì)的吸附能力很小；（2）活性炭是疏水性的吸附劑，在有水或水蒸汽的存在的情況下仍能發(fā)揮作用；（3）活性炭孔徑分布廣，能夠吸附分子大小不同的物質(zhì)，但是選擇性吸附較差

4、，如果對(duì)活性炭表面進(jìn)行氧化改性，可以增強(qiáng)對(duì)極性物質(zhì)的吸附能力；（4）活性炭具有一定的催化能力；（5）活性炭的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于硅膠等其他吸附劑2。2活性炭在大氣污染控制中的應(yīng)用21 煙氣脫硫脫硝我國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家，目前，SOx已成為我國(guó)空氣最主要污染物之一。SOx的排放不僅對(duì)人體有害，還會(huì)引起酸雨。尤其是大氣中SO2 可以導(dǎo)致多種呼吸器官疾病和更多誘發(fā)心血管疾病，而且SO2 在環(huán)境中形成的酸沉積會(huì)引起江河湖泊的酸化，對(duì)植物和農(nóng)作物造成損害。此外，酸沉積能加速大氣中的各種建筑物及金屬物的腐蝕。同時(shí)，隨著我國(guó)汽車工業(yè)迅速發(fā)展，NOX的污染業(yè)日益嚴(yán)重。因此，煙氣的脫硫脫硝在大氣污染控制

5、中就顯得尤為重要。在眾多的煙氣脫硫脫硝技術(shù)中，活性炭法不但經(jīng)濟(jì)可行，而且技術(shù)方法成熟，在國(guó)內(nèi)外以有不少商業(yè)化運(yùn)行的裝置?；钚蕴棵摿蛎撓跫夹g(shù)是以德國(guó)、美國(guó)為中心，在20世紀(jì)50年代開始研究的。日本起始于60年代，但在70年代后才有快速發(fā)展。在此，就日本在這一技術(shù)開發(fā)上處于領(lǐng)先地位的電源開發(fā)株式會(huì)社的研究作一些介紹。處理工藝如圖4所示。圖中，脫硫塔：活性炭吸附排氣中的SOx；脫硝塔：活性炭使NH3 與NOx反應(yīng)；分離塔：加熱活性炭脫去SOx，再生活性炭。圖4 活性炭脫硫脫硝工藝流程從最新驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(燃煤排煙SOx：800 ppm，NOx：190 ppm)得出中試結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)如下：(1) 沒有發(fā)

6、生裝置故障和活性炭過熱問題，具有可靠性、安全性；(2) 脫硫率能達(dá)到97%以上，而脫銷率能達(dá)到80%以上；(3) 工業(yè)用水量只有濕法脫硫的1/60，排水量可減少1/10；(4) 在現(xiàn)有的鍋爐排放氣體和環(huán)境條件下，對(duì)干式同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)和目前所使用的技術(shù)(SCR+濕式脫硫系統(tǒng))進(jìn)行比較，結(jié)果兩者的建設(shè)費(fèi)干式同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)稍低；但是活性炭的成本高，干式同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用比較高。如果今后環(huán)境指標(biāo)更加嚴(yán)格，性能優(yōu)越的干式同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)是能夠與現(xiàn)代技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的。另外，這一技術(shù)對(duì)于用水困難的地區(qū)更具意義3。22 生活氣體凈化活性炭?jī)艋瞽h(huán)境氣體可以廣泛應(yīng)用于十字路口、停車場(chǎng)、大型會(huì)堂、辦公場(chǎng)所

7、以及高速公路隧道的通風(fēng)換氣。在這些環(huán)境中的污染物主要包括少量的二氧化硫、硫化氫、一氧化碳、氮氧化物、氨、裝潢揮發(fā)油、油煙、汗酸臭、抽煙煙霧，臭氧等。這些物質(zhì)嚴(yán)重危害人體健康，采用活性炭吸附過濾的方法比較合適。目前通常采用與空調(diào)、換氣設(shè)備連用的方法2。牟桂之等用活性炭吸附法治理含甲硫醇惡臭氣體的研究結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)室用IVP活性炭（IVP活性炭是用一定濃度的堿溶液浸泡過的煤質(zhì)活性炭）對(duì)單一組分甲硫醇進(jìn)行吸附，測(cè)得平均穿透容量為11。在某煉廠污水處理場(chǎng)，針對(duì)表曝池散逸廢氣中的主要惡臭污染物甲硫醇進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)得穿透吸附容量為16。4，穿透時(shí)的去除率接近100。由此可見，活性炭在生活氣體的凈化中

8、還是有比較的處理效果4。23 溶劑回收許多生產(chǎn)部門都生產(chǎn)或使用各種各樣的有機(jī)溶劑，這些有機(jī)物揮發(fā)在操作環(huán)境中，不但污染環(huán)境，浪費(fèi)資源，而且有火災(zāi)和爆炸的潛在危險(xiǎn)?；钚蕴课椒ɑ厥沼袡C(jī)溶劑已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。與其他方法相比，具有以下有點(diǎn)：（1）低濃度時(shí)回收率高；（2）回收費(fèi)用低，一般不超過溶劑價(jià)格的520；（3）設(shè)備投資少，一般在一年左右即可回收成本。目前，用活性炭回收的溶劑有甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、乙醚、甲乙酮、丙酮、乙酸甲酯、氯乙烯、汽油等。圖1為溶劑回收基本流程圖2。3在水處理中的應(yīng)用水體污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)普遍關(guān)注的問題。人們將各種不同材料應(yīng)用于水處理研究領(lǐng)域，以尋求更有效的方法，

9、提高用水和排水質(zhì)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(fù)雜，采用常規(guī)水處理方法已不能滿足要求，必須進(jìn)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(fù)利用的活性炭(AC)得以廣泛應(yīng)用，其強(qiáng)大的吸附能力和良好的機(jī)械強(qiáng)度使它不僅能直接作為優(yōu)良的吸附劑應(yīng)用于水處理中，而且還可以與其他材料聯(lián)合應(yīng)用，作為催化劑及催化劑載體。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)物具有突出的吸附能力，對(duì)一些難以被生物降解的有機(jī)物更有獨(dú)特的去除效果，因而被用于制革廢水、造紙

10、染料廢水、焦化廢水及其他有機(jī)廢水的處理中。常規(guī)的處理方法不能有效地去除河水中的一些殺蟲劑等物質(zhì)，而活性炭則有較好的去除效果，在河水中投入10mg/L 的活性炭可以將引起臭味的土臭素(Geosmin)和2-甲基異茨酸(MIB)從66mg/L 降到2mg/L；(3)無機(jī)工業(yè)廢水處理。某些活性炭對(duì)于廢水中無機(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Pd2+，CrO42- 等離子的吸附去除率可達(dá)85以上。對(duì)其他金屬離子如銻、鉍、錫、汞、鈷、鉛、鎳、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

11、受重視。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。陳洪斌等對(duì)煉油廠外排污水采用懸浮載體生物接觸氧化、砂濾和臭氧生物活性炭工藝深度處理，對(duì)主要污染物都有良好的去除效果5。4改性活性炭在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用及前景展望活性炭材料的吸附表面化學(xué)性能的改性是指通過一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能團(tuán)及其周邊氛圍的構(gòu)造，使其成為特定吸附過程中的活性點(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。活性炭材料表面化學(xué)組成的不同對(duì)活性炭材料的酸堿性、潤(rùn)濕性、吸附選擇性、催化

12、特性等產(chǎn)生影響?；钚蕴坎牧衔奖砻婊瘜W(xué)性質(zhì)的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性以及負(fù)載金屬改性等修飾。改性后的活性炭所具有的特殊性能使它不僅能直接作為優(yōu)良的吸附劑應(yīng)用于水處理中，而且還可以與其他材料聯(lián)合應(yīng)用，作為催化劑及催化劑載體。（1）活性炭與膜連用。活性炭與膜聯(lián)用能有效解決單獨(dú)使用膜過濾而引起的膜阻塞和膜污染問題。利用活性炭對(duì)進(jìn)水進(jìn)行必要的前處理，以減少水中的有機(jī)物、無機(jī)物、微生物等在膜表面和膜內(nèi)孔積累，從而極大地延長(zhǎng)了膜的使用壽命。而膜的存在又可以克服單獨(dú)使用活性炭的弱點(diǎn)，解決活性炭出水中細(xì)菌數(shù)偏高的問題。（2）活性炭與微生物聯(lián)用。在利用微生物進(jìn)行水處理的體系內(nèi)，無論厭氧型微生物還是

13、好氧型微生物都可以使用活性炭作為載體與之聯(lián)用，現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)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(yīng)器適用于高濃度有機(jī)廢水的處理。（3）吸附、催化、氧化聯(lián)用。活性炭在水處理過程中不僅表現(xiàn)出良好的吸附作用，同時(shí)它還可以起到催化劑和催化劑載體的作用。（4）活性炭與微波聯(lián)用。微波加熱使活性炭進(jìn)一步活化，提高吸附容量，用這種方法再生活性炭的時(shí)間短，耗能低，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，具有很好的應(yīng)用前景。（6）活性炭與電化學(xué)聯(lián)用?；钚蕴颗c電化學(xué)過程聯(lián)用，多數(shù)是把活性炭作為陽極的外延，先利用活性炭進(jìn)行吸附，再通過電解作用進(jìn)行氧化降解，去除污染物質(zhì)。（7）其他應(yīng)用。目前，TiO2 光催化劑在脫臭、防污及超親水性處理等實(shí)用方面的研究十分活躍。此外，活性炭還可與一些藥劑聯(lián)合使用，如與高錳酸鉀復(fù)合藥劑聯(lián)用去除水中有機(jī)物，在二者相互促進(jìn)作用下，對(duì)不同污染程度的原水均表現(xiàn)出優(yōu)良的處理效果5。參考文獻(xiàn)：1 于洪斌,丁蘊(yùn)錚.活性炭在水處理中的應(yīng)用方法研究與進(jìn)展J.