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鞏義市波濤凈水材料有限公司
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閱讀：287發布時間：2023-1-9
活性炭是一種微孔結構發達、吸附性能優良、用途很為廣泛的吸附劑。無論對有機物或無機物，對離子型或非離子型物質，都具有一定的吸附能力，而且，活性炭表面還能起接觸催化作用。活性炭廣泛應用于國民經濟各個部門，如食品、制糖、制酒、制藥、冶金與化學等工業部門；還有環境保護、節約能源、軍事防化、醫學、 以至宇宙航行和原子能電站等。 活性炭在凈水處理工藝中常用于以下三方面：
1 用于生活飲用水的除污染處理，去除自來水中的嗅味、酚、鹵代甲烷（如氯仿等）和余氯等。
2 用于制備高純水的予處理，使自來水進行離子交換前予先去除水中的有機物、微生物、膠體和余氯等、以防離子交換樹脂被有機物等污染，影響交換能力和使用壽命。
3 用于電鍍、印染、煉油等廢水的三級處理，使廢水二級處理中不能被生物分解的某些剩留有機物經活性炭吸附處理 除。水的凈化處理所用活性炭，在美、日等國家中往往占他們的活性炭年生產量總量的40-50%左右。我國目前由于存在制水成本高和活性炭再生等問題，因此在凈水工藝中應用活性炭還不普遍。
為要經濟合理地在凈水工藝中應用活性炭吸附劑，就應了解活性炭的基本特點和吸附機理。活性炭是由80%-90%的碳組成的孔隙發達的結構，市售活性炭的孔隙比表面積常達每克炭一千平方米左右，比表面積大小基本上反映了活性炭吸附能力的大小。活性炭中的碳具有堆積疏松、連結牢固的類似石墨的層狀晶體結構，各晶體之 間存在著許多形狀不同，大小不等的孔隙。的孔隙可用光學顯微鏡觀察到，最小的孔隙只相當于被吸附的小分子物質那 樣大小。根據活性炭上的孔隙大小，通常可分為三類：
1 大孔 孔隙有效半徑＞1000Å；
2 過渡孔 孔隙有效半徑=15-1000Å；
3 微孔 孔隙有效半徑＜15Å。
一般活性炭的全部微孔表面積約占孔隙總表面積的90%以上，活性炭孔隙大小的分布情況與制造活性炭的原料和制造方法等有關。椰殼制造的活性炭孔隙最小，木屑制造的活性炭孔隙，煤質活性炭的孔隙大小介于椰殼炭和木屑炭之間，具有較多的過渡孔孔隙和較大的平均孔徑。活性炭的吸附主要依靠發達的微孔結構，當被 吸附物分子較大時，則過渡孔也起較重要的作用，大孔由于其表面積占活性炭總表面積的比例很小，因此其吸附量可以忽略不計。于是，凈水處理工藝中，分子直徑為10-5-10-8厘米的溶解性有機物容易被活性炭所吸附。正因為活性炭主要是依靠其內部發達的孔隙結構來吸附去除雜質，因此，自來水或廢水在經活性炭吸附處理之前需要先經充分的澄清、過濾等予處理，否則水中較大的懸浮物或膠體等雜質會堵塞活性炭床中的孔隙通道 ，大大影響活性炭孔隙吸附優勢的發揮。
在吸附理論方面作了大量工作的蘇聯學者杜賓寧認為：由于活性炭的非極性性質，因此吸附時主要依靠范德華力中的彌散力作用進行物理吸附。這種彌散力的產生是由于在任何分子（包括非極性分子）之間負電荷在電子云不同點上發生偶然的瞬時集聚而引起的。活性炭較適合于對有機化合物、特別是對芳香族化合物的吸附，支鏈化合物相對比直鏈化合物容易被活性炭所吸附，對分子量40以下的低分子量溶解性有機物來說，分子量越大，與活性炭表面之間的范德華引力越大，吸附效果就越好。實驗得出活性炭凈水除酚效果的良好，證實了上述論點。除了孔隙結構顯著影響活性炭吸附性能外，活性炭表面的化學性質（主要以氧和氫為代表的表面官能團）與某些吸附物之間有化學結合力，均為化學吸附，對不同的吸附物分子有選擇性吸附功能。待處理凈化的水中一般同時存在著二種以上的吸附雜質，根據它們的不同性質（如表面官能團情 況、分子大小、分子量等），有的能相互誘發吸附；有的能相當獨立地被吸附；有的則相互干擾阻抑地競爭吸附，競相被活性炭吸附。由于某些不同雜質與活性炭表面之間吸引力大小的不同和水合作用的強弱，某些原已被吸附在活性炭表面的雜質也可能重新被其他吸附能量較高的雜質置換出來。競爭吸附雜質的相互干擾阻抑程 度，與各種雜質分子的相對大小、各種雜質的相對濃度、以及相互的吸附親合性等因素有關。因此，當對某些性質較復雜、凈化處理要求較高的水采用活性炭吸附工藝時，應當先對各別雜質分別做競爭吸附的試驗研究后 ，再做吸附系統的設計。由于活性炭吸附主要是物理吸附過程，因此就整個吸附體系來說，是屬于放熱過程。 水溫高將不利于熱量的釋放，吸附效果就差。而且水溫越高，水中吸附質的分子動能越大，抵抗活性炭表面引力的能力也就越大，有些即使已被活性炭吸附的雜質也可能被解吸下來。因此，活性炭吸附宜在水溫不高的情況下進行。
活性炭吸附可分成氣相吸附和液相吸附二類，根據吸附質和用途要求不同，宜分別選用較合適的不同規格品種的活性炭。由于活性炭主要是物理吸附，被吸附物質的分子大小越接近于活性炭孔隙大小，就越容易被吸附；被吸附物質在水中的溶解度越大，則吸附量越小。與氣相中的雜質分子相比，液相 中的雜質分子相對比較大（水中有機物分子直徑一般為10-30Å），因此，凈水處理工藝中所用的活性炭，除了主要依靠微孔吸附外，過渡孔也可較好地吸附水中較大分子的雜質，凈水炭有較多的半徑為10-50Å的過渡孔，過渡孔孔隙體積有0.2毫升/克左右。煤質活性炭孔隙結構較適合此要求，其中褐煤質活性炭比煙煤質活性炭形成的孔隙分布情況更合適些。為了操作簡單和便于再生重復利用，近些年來，凈水工藝中所用活性炭一般趨向于使用顆粒狀活性炭。顆粒炭的粒度宜在8-30目之間，其有效粒徑在0.85毫米左右（粒度太大，凈化吸附效果較差，粒度太小，水流流經炭床的阻力較大）。由于凈水炭的孔隙要求較大，因而炭的比表面積和碘值并不要求很高。此外，選用凈水炭時要求吸附容量較大，吸附速度較快，機械耐磨強度較高，炭質本身不含有害物質，價格比較低廉。作為制取純水前予處理用的活性炭，更要求吸附容量大，炭質優良，并在自來水進活性炭過濾器之前，再先經過一道砂濾器過濾的予處理，其流程如下：
自來水→砂濾器→活性炭過濾器→離子交換設備系統→高純水
碘值表示活性炭吸附去除水中各種特殊有機物的能力，是衡量活性炭微孔結構發達情況，比較各種活性炭活性的傳統評價指標。碘分子的直徑較小，為5.32Å，因此碘分子可全部進入活性炭孔隙中，而水中有機色度等分子直徑一般均大于10Å，許多雜質進不了活性炭微孔。活性炭去除水中嗅味的使用壽命遠比去除水中有機色度 的使用壽命要長，就是這個道理。所以碘值實際上不能確切予示活性炭去除水中有機雜質的可能程度，因而目前多用CCE值（Carbon Chloro-form Extract，活性炭的氯仿萃取物）來予計凈水炭的有效使用壽命。
衡量不同品種的活性炭吸附量大小，通常是通過活性炭對溶液中被吸附雜質（溶質）的吸附等溫線資料來相對比較。吸附等溫線，是在一定溶液溫度下活性炭吸附溶液中的溶質達到平衡時，活性炭吸附容量a與溶液中剩留溶質濃度c的關系曲線。可用弗倫特利希（Freundlic）吸附等溫式表示：
a=KC1/n
式中：a——達吸附平衡時活性炭的吸附容量，稱平衡容量，即單位重量活性炭吸附的溶質重量。
C——達吸附平衡時溶液中剩留溶質的濃度。
K、n——系數，其值取決于活性炭的性質、溶質的性質、溶液濃度、溫度和pH等。一般活性炭的吸附等溫線線型如圖1所示。n值通常大于，因此a隨C的加大而加大，但其增量則隨C的增加而減少。這是吸附平衡的概念，即活性炭吸附溶液中溶質的能力是該溶質的平衡濃度的函數，平衡濃度越高（如用于工業廢水的三級處理中） ，吸附容量就越大，活性炭的吸附能力就發揮得越充分。
由于凈水用活性炭的需用量大，并且活性炭價格較貴，為了降低制水成本，因此應當盡可能設法再生重復使用 活性炭。常用的活性炭再生方法有加熱再生、化學再生和生物再生法，此外還有高頻脈沖放電法、直流電再生 法、微波再生、遠紅外線加熱再生法等。加熱再生法是比較廣泛使用的再生方法，主要步驟是：
1 將失效活性炭加熱至105℃以上，使水分蒸發，炭粒干燥。
2 在貧氧情況下，將活性炭升溫至800℃左右，使大部分被吸附的有機物被熱解和炭化。
3 對活性炭繼續加溫到90℃左右使之活化。形成用水蒸氣和二氧化碳使炭化的有機物變成氣體從活性炭中逸出 ，另一部分被吸附物則與水蒸氣反應達到氧化分解的再生目的。化學再生法是根據被吸附物的性質，選用強氧 化劑（臭氧、次氯酸鈉溶液等）摧毀活性炭所吸附的有機物；或選用適當的酸、堿等化學藥劑浸洗活性炭（可 輔以加溫），使與被吸附物起化學反應，轉化成可溶性鹽類脫離活性炭顆粒而達到再生目的。如對吸酚失效的活性炭可用氫氧化鈉溶液使生成酚鈉C6H5ONa脫附再生；
C6H5OH+NaOH=C6H5ONa+H2O生物再生法是促使活性炭內繁殖需氧菌，以達到將有機污染物氧化分解、生物降解而從活性炭上分離去除的再生目的。韋伯（Weber）等人對活性炭吸附分解有機物的生物降解過程說明如下（見圖2）：
1 水中較大的有機分子A向活性炭顆粒表面擴散而被吸附；
2 A在緊附活性炭表面存在的嫌氣性生物膜內被分解成小分子B；
3 這些小分子有機物B由于太小，在分子熱運動作用下不易被活性炭吸著而脫離開嫌氣性生物膜，擴散到炭粒外側的好氣性生物膜中；
4 B進一步被需氧菌分解成二氧化碳和水，有機雜質因之被從水中生物降解去除。
加熱再生法再生效率高，效果比較穩定可靠，但加熱再生過程對活性炭強度有所影響，要損耗一部分（5-10% ）活性炭，消耗相當數量的燃料和電能，再生費用較大，而且修建管式轉爐、多段爐或沸騰爐等炭化活化裝置的基建費用較大。化學再生法的使用有一定局限性，再生效率不高，再生效果不夠穩定，再生成本較高，優點主要是設備簡單，操作較方 便，節約能源。生物再生法只適用于容易生物降解的有機污染物，不需要特殊的再生裝置和藥品，不需高溫加熱，再生成本低，但微生物分解速度緩慢，再生歷時較長，再生效率受溫度、水質等因素影響，效果不夠穩定 。國內近年來在有些印染、化工、醫藥等工業廢水處理中應用活性炭吸附和微生物再生的方法，處理和再生效果較好。
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