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、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 （華華南師范范大學(xué) 廣州 51000066）摘要綜綜述了活活性炭在在環(huán)境保保護(hù)領(lǐng)域域的應(yīng)用用現(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 活性炭炭 吸附附 測(cè)定定 新進(jìn)進(jìn)展The PPressentt Siituaatioon aand Devveloopmeent of Envviroonmeentaal RRecooverry aand Monnitoor bby AActiivatted CarrbonnYe Yaa(Depaartmmentt off Chhemiistrry aand Envviroonm

2、eent, Soouthh Chiina Norrmall Uniiverrsitty, Guaangzzhouu 51100006, Chiina)Abstrractt:Thhe aappllicaatioon oof aactiivatted carrbonn inn ennvirronmmenttal fieeld wass reevieewedd，inncluudinng tthe fieeld of watter treeatmmentt annd tthe fieeld of airr poolluutioon cconttroll .Andd itt exppectts thii

3、s ttreaatmeents ffutuure andd teendeencyy.Key WWordds: acttivaatedd caarboon adssorpptioon moniitorr ddeveeloppmennt1前言活性炭這種種神奇的的綠色環(huán)環(huán)保吸附附材料能能夠更廣廣泛地應(yīng)應(yīng)用到垃垃圾焚燒燒、室內(nèi)內(nèi)空氣凈凈化、高高速公路路隧道以以及大城城市交通通過(guò)密地地區(qū)的空空氣治理理等新的的領(lǐng)域，應(yīng)應(yīng)當(dāng)在有有效降低低其成本本的同時(shí)時(shí)，針對(duì)對(duì)特定的的場(chǎng)合和和目的有有針對(duì)性性地進(jìn)行行改性，使使其能夠夠更好地地應(yīng)用于于環(huán)境治治理.活性炭炭材料具具有獨(dú)特特的孔隙隙結(jié)構(gòu)和和表面活活性官能能團(tuán)，化

4、化學(xué)性質(zhì)質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)機(jī)械強(qiáng)度度高，耐耐酸、耐耐堿、耐耐熱，不不溶于水水和有機(jī)機(jī)溶劑，使使用失效效后可以以再生，廣廣泛地應(yīng)應(yīng)用于環(huán)環(huán)保、化化工、食食品加工工、濕法法冶金、藥藥物精制制、軍事事化學(xué)防防護(hù)等各各個(gè)領(lǐng)域域2活性炭炭的結(jié)構(gòu)構(gòu)和性質(zhì)質(zhì)2.1 活活性炭的的孔隙結(jié)結(jié)構(gòu)活性炭的孔孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)是指孔孔隙容積積、孔徑徑分布、表表面積和和孔的形形狀?？卓讖綇膸讕讉€(gè)nmm 的微微孔到肉肉眼可以以看到的的大孔,孔徑分分布范圍圍很寬,孔的形形狀又是是各式各各樣的?；罨钚蕴康牡奈侥苣芰χ饕獩Q定于于活性炭炭的孔結(jié)結(jié)構(gòu),這就決決定了活活性炭具具有多種種多樣的的吸附能能力和催催化能力力，而對(duì)對(duì)吸附起起決定作作用的則

5、則是微孔孔。在氣氣相吸附附中,無(wú)論吸吸附分子子大小,基本上上存在微微孔中,吸附容容量在很很大程度度上取決決于微孔孔的多少少。1 圖1 活性性炭材料料的空隙隙結(jié)構(gòu)模模型2.2 活活性炭的的表面化化學(xué)性質(zhì)質(zhì)表面化學(xué)性性質(zhì)的不不同對(duì)活活性炭的的酸堿性性、潤(rùn)濕濕性、吸吸附選擇擇性、催催化特性性、電性性質(zhì)等都都產(chǎn)生影影響。因因此,活性炭炭的表面面化學(xué)性性質(zhì)的研研究受到到人們的的高度重重視?；罨钚蕴康牡闹饕厥翘继?其次是是氧和氫氫。氧和和氫的存存在對(duì)活活性炭的的吸附性性能及其其它特性性有較大大影響,這些元元素多以以化學(xué)鍵鍵與碳原原子相結(jié)結(jié)合,在活性性炭表面面上形成成多種含含氧官能能團(tuán):酸性官官能團(tuán)、

6、中中性官能能團(tuán)和堿堿性官能能團(tuán),這也是是活性炭炭最主要要的活性性基團(tuán)。13活性炭炭在環(huán)保保治理、監(jiān)監(jiān)測(cè)以及及衛(wèi)生方方面的應(yīng)應(yīng)用3.1 作作為吸附附手段3.1.11 防毒面面具及濾濾毒通風(fēng)風(fēng)裝置活性炭用于于防毒面面具始于于第一次次世界大大戰(zhàn),并且成成了推動(dòng)動(dòng)當(dāng)時(shí)活活性炭工工業(yè)發(fā)展展的重要要因素。但但由于氣氣體和蒸蒸汽狀化化學(xué)毒劑劑的種類類最多,分子結(jié)結(jié)構(gòu)和特特性各異異,單一的的作用難難以達(dá)到到全面濾濾毒的目目的,目前世世界各國(guó)國(guó)均將活活性炭分分別浸漬漬銅、銀銀、鋅等等金屬氧氧化物以以及吡啶啶、皮考考啉等制制成專用用活性炭炭催化劑劑。美國(guó)國(guó)稱作AASC 活性炭炭或急特特拉特活活性炭。3.1.22

7、活性炭炭材料在在煙氣治治理中的的應(yīng)用煤炭燃燒在在我國(guó)能能源構(gòu)成成中占有有很大的的比例，而而煤燃燒燒過(guò)程中中排放出出的SOO2 和和NOx(NOO 和N2OO)是主主要的大大氣污染染物，所所以煙氣氣污染是是我國(guó)亟亟需解決決的環(huán)境境問(wèn)題.在紛繁繁復(fù)雜的的治理技技術(shù)中，活活性炭材材料脫硫硫脫硝因因其處理理效果好好、投資資運(yùn)行費(fèi)費(fèi)用低、實(shí)實(shí)現(xiàn)“資源化化”、且易易于再生生利用等等優(yōu)點(diǎn)而而引人注注目. 尤其是是改性后后的活性性炭材料料其脫硫硫脫硝性性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普普通的活活性炭材材料.13.1.22.1 SOO2 是主要要的大氣氣污染物物,是造成成“酸雨”的主要要原因,活性炭炭吸附法法脫硫得得到了廣廣泛的

8、應(yīng)應(yīng)用。但但是,單一的的活性炭炭脫硫,速度慢慢,效率低低。提高高活性炭炭脫硫的的性能,改性活活性炭引引起重視視,它能克克服普通通活性炭炭的某些些缺點(diǎn)和和限制,被認(rèn)為為是最有有前景的的脫硫劑劑之一。氨氨由于其其較小的的分子量量并有極極性,而較難難被吸附附,因此,為了取取得較好好的吸附附效果,國(guó)內(nèi)外外學(xué)者研研制了數(shù)數(shù)種改性性活性炭炭 。結(jié)果果表明,以亞鐵鐵鹽和銅銅鹽配方方處理的的活性炭炭對(duì)其有有很好的的吸附性性能。3.1.22.2 汞是是易揮發(fā)發(fā)的劇毒毒物質(zhì),對(duì)人體體危害極極大,因此汞汞蒸汽污污染的防防治是環(huán)環(huán)保的重重要課題題。經(jīng)化化學(xué)處理理的活性性炭可以以有效地地脫除空空氣或其其他載氣氣中的汞汞

9、蒸汽。例例如,在活性性炭中添添加碘、銀銀或者雙雙硫腙等等的螯合合劑,對(duì)汞蒸蒸汽的吸吸附能力力就會(huì)變變得非常常大。3.1.22.3 活性性炭材料料在空氣氣凈化中中的應(yīng)用用人們正在開(kāi)開(kāi)發(fā)各種種高效空空氣凈化化器. 活性炭炭材料因因其優(yōu)異異的吸附附性能被被廣泛地地用作空空氣凈化化器中的的吸附劑劑3.1.33 活性炭炭在水處處理中主主要用于于：(1) 污污水源的的凈化.用活性性炭吸附附水中有有機(jī)物、顏顏色、臭臭味、油油、苯酚酚等；(2) 有有機(jī)工業(yè)業(yè)廢水處處理. 由于活活性炭對(duì)對(duì)水中的的有機(jī)物物具有突突出的去去除能力力，對(duì)一一些難以以被生物物降解的的有機(jī)物物更有獨(dú)獨(dú)特的去去除效果果而被用用于制革革廢水

10、處處理、造造紙染料料化工廢廢水處理理、焦化化廢水處處理及其其他有機(jī)機(jī)廢水處處理中.Tommaszzewsska 等研究究了Maavmeee 河河中的有有機(jī)污染染物后指指出：常常規(guī)的處處理方法法不能有有效地去去除河水水中的一一些殺蟲蟲劑等物物質(zhì)，而而活性炭炭則有較較好的去去除效果果，在河河水中投投入100 mgg/L 的活性性炭可以以將引起起臭味的的土臭素素(Geeosmmin)和2甲基異異茨酸(MIBB)從66mgg/L 降到2mmg/LL；(3) 無(wú)無(wú)機(jī)工業(yè)業(yè)廢水處處理. 某些活活性炭對(duì)對(duì)于廢水水中無(wú)機(jī)機(jī)重金屬屬離子具具有一定定的選擇擇吸附能能力. 如顆粒粒狀活性性炭對(duì)于于Ag, Pd22,

11、 CCd2, CrrO422等離子子的吸附附去除率率可達(dá)885%以以上. 對(duì)其他他金屬離離子如銻銻、鉍、錫錫、汞、鈷鈷、鉛、鎳鎳、鐵等等均具有有良好的的吸附能能力；(4) 飲飲用水及及微污染染水凈化化領(lǐng)域. 臭氧氧生物活活性炭工工藝以其其可以高高效去除除水中溶溶解性有有機(jī)物和和致癌突突變物、出出水安全全、優(yōu)質(zhì)質(zhì)而備受受矚目和和重視. 在這這種工藝藝中，活活性炭起起著生物物膜的載載體材料料的作用用，而且且活性炭炭可以很很快地把把臭氧分分解掉，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.

12、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)物主要由臭氧生物活性炭去除. 此工藝系統(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） 甲甲醛類物物質(zhì)含有有羰基極極性基團(tuán)團(tuán),可以通通過(guò)在活活性炭表表面添加加一些含含2NH22 的親親水性有有機(jī)化合合物,以期通通過(guò)化學(xué)學(xué)吸附和和物理吸吸附共同同作用來(lái)來(lái)改善非非極性的的活性炭炭對(duì)醛類類物質(zhì)的的吸附性性能。23.2 作作為監(jiān)測(cè)測(cè)手段舉舉例氡的測(cè)測(cè)定 氡主要要是鐳、釷釷等元素素經(jīng)衰變而而產(chǎn)生散散逸到人人們的活活動(dòng)空間間。它主主要通過(guò)過(guò)土壤和和巖石的的空隙自由運(yùn)動(dòng)動(dòng),從地下下深處遷遷移到地地表。在在采用石石灰?guī)r、磷磷酸鹽礦礦渣、磷

13、磷石膏和和煤渣磚磚建造的的房屋中中,氡進(jìn)入入建筑物物的速率率可以高高達(dá)1002 BBqm3 h1。所所以,在地鐵鐵、地下下室、隧隧道和礦礦井中氡氡的劑量量會(huì)維持持在一個(gè)個(gè)高水平平上,氡還溶溶于水,可從水水中釋放放出來(lái)。測(cè)定氡的方方法主要要有4類,即閃爍爍室法、雙雙濾膜法法、電場(chǎng)場(chǎng)收集子子體法和和活性炭炭法。其其中由于于活性炭炭法使用用簡(jiǎn)便,得到越越來(lái)越廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用。南京大學(xué)最最近研制制出將被被動(dòng)式活活性炭采采樣改為為主動(dòng)式式活性炭炭采樣盒盒。以高高純鍺譜儀測(cè)測(cè)量2222 RRn /2200Rn的的射線峰峰面積比比,經(jīng)計(jì)算算和校正正后得到到2222 Rnn和2200 Rnn的濃度度。采樣樣盒由

14、空空氣采樣樣泵、流流量計(jì)、活活性炭盒盒(內(nèi)裝椰椰殼顆粒粒狀活性性炭)和時(shí)控控電路組組成。氡氡短壽命命子體2214 Po的的3522 keeV峰為為2222 Rnn特征峰峰,清晰可可辨,由此算算出2222 RRn濃度度。主動(dòng)動(dòng)式活性性炭采樣樣系統(tǒng)是是一種體體積小、耗耗時(shí)少、操操作方便便的大氣氣氡采樣樣裝置,尤適用用于密閉閉空間(如隧道道、地下下室、地地鐵)中氡的的采樣。33.3 在在環(huán)境衛(wèi)衛(wèi)生中的的應(yīng)用3.3.11 室內(nèi)空空氣凈化化室內(nèi)空氣質(zhì)質(zhì)量是影影響人體體健康的的主要環(huán)環(huán)境因素素之一。室室內(nèi)空氣氣污染物物的種類類和數(shù)量量不僅隨隨室外空氣污染染狀況的的變化而而變化, 而且且與建筑筑物所處處的地

15、理理位置、用用途及人人們的活活動(dòng)等密密切相關(guān)關(guān)。據(jù)調(diào)查監(jiān)測(cè)測(cè), 室內(nèi)內(nèi)空氣中中的污染染氣體多多達(dá)數(shù)十十種, 可分為為無(wú)機(jī)污污染氣體體和有機(jī)機(jī)污染氣氣體兩類類。無(wú)機(jī)污染氣氣體主要要有：SO2 、CO、NOxx 、CO2等。有機(jī)污染氣氣體主要要有: 易揮發(fā)發(fā)性有機(jī)機(jī)化合物物,如甲醛醛、甲烷烷、乙烯烯、甲胺胺、丁烷烷、甲基基硫醇、乙乙醛、乙乙酸乙酯酯、乙酸酸丁酯、二二氯甲烷烷等; 揮發(fā)性性有機(jī)化化合物, 如正正己烷、乙乙醇、苯苯、甲苯苯、三氯氯乙烷、丁丁醇、二二甲苯、檸檸檬烯等等; 半揮揮發(fā)性有有機(jī)化合合物, 如尼古古丁、磷磷酸三丁丁酯、鄰鄰苯二甲甲酸二丁丁酯、鄰鄰苯二甲甲酸二辛辛酯等。業(yè)業(yè)已證實(shí)實(shí)

16、, 活性性炭纖維對(duì)上上述污染染氣體的的吸附清清除能力力遠(yuǎn)大于于顆粒狀狀活性炭炭。以活活性炭纖纖維為濾濾材的空空氣過(guò)濾濾器對(duì)二二氧化硫硫和氮氧氧化物的的最大去去除率分分別為990.14 % 和76.16 % , 使室內(nèi)內(nèi)空氣質(zhì)質(zhì)量達(dá)到到規(guī)定的的衛(wèi)生要要求。由由此可見(jiàn)見(jiàn), 活性性炭纖維維作為凈凈化室內(nèi)內(nèi)空氣的的功能性性材料具具有廣泛泛的應(yīng)用用前景。3.3.22 勞動(dòng)防防護(hù)用活性炭纖纖維氈作作為夾層層的防毒毒、防化化口罩已已經(jīng)面市市?；钚孕蕴坷w維維與超細(xì)細(xì)纖維結(jié)結(jié)合而成成的復(fù)合材料具有有高強(qiáng)度度的過(guò)濾濾性能和和疏水性性, 用作作口罩的的罩芯還還可起到到隔離細(xì)細(xì)菌的屏屏障作用用, 從而而使得用用該復(fù)合

17、合材料制制成的口口罩具有有防毒、防防化、防防塵和防防菌的綜綜合效能能。負(fù)載載鉑、鈀鈀等金屬屬離子的的活性炭炭纖維能能選擇性性地除去去一氧化化碳, 可用于于制作防防災(zāi)用口口罩。83.3.33 個(gè)人生生理衛(wèi)生生人體氣味包包括腋臭臭、汗臭臭及排泄泄物的氣氣味等, 惡臭臭的組分分主要是是胺類化化合物、硫硫醇類化化合物和低級(jí)脂肪肪酸等。大大量的試試驗(yàn)研究究已經(jīng)證證明, 活性炭炭纖維對(duì)對(duì)惡臭氣氣體的吸吸附能力力明顯大大于顆粒粒狀活性性炭, 具有優(yōu)優(yōu)良的除除臭效果果。同時(shí)時(shí), 活性性炭纖維維還具有有透氣、吸吸汗、耐耐洗滌等等優(yōu)良性性能, 因而, 活性性炭纖維維可作為為吸收人人體氣味味的襯墊墊材料, 置于于服

18、裝的的相應(yīng)部部位, 達(dá)到除除臭的目目的。此此外, 活性性炭纖維維材料還還可用作作老年患患者的坐坐墊或?qū)媽媺|等。利利用活性性炭纖維維的除臭臭性能, 可將將其與紙紙漿混合合生產(chǎn)出出具有獨(dú)獨(dú)特功能能的活性性炭纖維維紙, 繼而廣廣泛地用用于紙質(zhì)質(zhì)生理衛(wèi)衛(wèi)生用品品。44化妝品中含含有大量量的乙醇醇(700% ) ,其其同系物物甲醇也也時(shí)常被被檢出,我國(guó)化化妝品衛(wèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)規(guī)定甲甲醇為限限用物質(zhì)質(zhì).有研究究應(yīng)用活活性炭纖纖維型固固相微萃萃取器定定量分析析化妝品品中的甲甲醇，利利用ACCF2SPMME法對(duì)對(duì)化妝品品中的甲甲醇進(jìn)行行了分析析. 結(jié)果果表明它有很很大的吸吸附容量量和較高高的靈敏敏度55隨著我國(guó)社

19、社會(huì)經(jīng)濟(jì)濟(jì)的發(fā)展展, 人們們對(duì)生活活質(zhì)量的的要求越越來(lái)越高高, 對(duì)環(huán)環(huán)境衛(wèi)生生質(zhì)量及及其重要要性的認(rèn)認(rèn)識(shí)也將將更加深深入, 活性炭炭纖維在在環(huán)境衛(wèi)衛(wèi)生領(lǐng)域域的應(yīng)用用必將更更為廣泛泛。4.活性炭炭材料的的新進(jìn)展展傳統(tǒng)的炭材材料為粉粉狀或顆顆粒狀活活性炭，隨隨著研究究的深入入，出現(xiàn)現(xiàn)了許多多新型炭炭材料，有有的已經(jīng)經(jīng)在環(huán)境境工程中中得到了了應(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。4.1 活活性炭纖纖維（AACF）ACF是繼繼粉狀活活性炭、粒粒狀活性性炭之后后的第三三代活性性炭材料料，已實(shí)實(shí)現(xiàn)了工工業(yè)化生生產(chǎn)和應(yīng)應(yīng)用。AACF具具有比表表面積大大，吸附附、脫附附

20、速度非非常快，重重量輕，生生成碳粉粉塵少的的優(yōu)點(diǎn)，還還可以加加工成各各種不同同的形狀狀，可與與其他性性能的材材料形成成復(fù)合材材料，容容易再生生再利用用。ACCF活化化生成的的孔隙中中90以上是是微孔，為為ACFF提供了了巨大的的比表面面積。AACF具具有脫除除氮氧化化物的能能力，因因此應(yīng)用用ACFF可以實(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫硫脫硝。AACF還還廣泛應(yīng)應(yīng)用于飲飲用水凈凈化、勞勞動(dòng)防護(hù)護(hù)、環(huán)境境監(jiān)測(cè)、溶溶液回收收等方面面。774.2 中中間相微微球活性性炭這種產(chǎn)品比比表面積積高達(dá)550000m2/g，可可用于存存儲(chǔ)甲烷烷、天然然氣，或或用于分分離COO2和其他他大氣成成分。4.3 膨膨脹石墨墨膨脹石墨具具有高化化學(xué)穩(wěn)定定性、耐耐高溫低低溫、耐耐腐蝕、導(dǎo)導(dǎo)電、導(dǎo)導(dǎo)熱、安安全無(wú)毒毒，還有有高比表表面積、高高表面活活性，具具有良好好的吸附附性能。它它對(duì)低濃濃度的NNOx、SOOx以及甲甲烷等有有機(jī)蒸汽汽有明顯顯的吸附附效果，并并且再生生處理非非常簡(jiǎn)單單，經(jīng)濟(jì)濟(jì)性好。膨膨脹石墨墨能選擇擇性的除除去水中中的非水水性溶液液，能被被用于海海上吸附附浮油。4.4 納納米碳管管納米碳管具具有獨(dú)特特的性質(zhì)質(zhì)，可以以再不同同的領(lǐng)域域得到應(yīng)應(yīng)用。如如用做電電子槍、電電子開(kāi)關(guān)關(guān)、超級(jí)級(jí)纖維、高高溫部件件的防護(hù)護(hù)材料等等。納米米碳管的的應(yīng)用熱熱點(diǎn)是高高能量密