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活性炭在工业废水处理中的应用
1.前言
我国是水资源严重紧缺同时又是水资源严重浪费的**, 而随着 城市化进程的加快, 城市工业废水和生活废水污染问题日益严重, 加 强污水处理特别是工业废水的处理显得尤为重要。据统计, 我国每年排出的工业废水约为 8×108m3, 其中不仅含有**、氯酚等剧毒成 分, 而且含有铬、锌、镍等金属离子。废水的处理方法很多, 主要有化学沉淀法、电解法和膜处理法等[1], 本文介绍的是活性炭吸附法。活性炭 的表面积巨大, 有很高的物理吸附和化学吸附功能, 因此活性炭吸附 法被广泛应用在废水处理中, 而且具有效率高, 效果好等特点。
2.活性炭
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- 1500m2。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**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。
2.1 活性炭的分类
在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, 但再生困难, 一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵, 但可 再生后重复使用, 并且使用时的劳动条件较好, 操作管理方便。因此在 水处理中较多采用颗粒状活性炭[2]。
2.2 活性炭吸附
活性炭吸附是指利用活性炭的固体表面对水中 的一种或多种物质的吸附作用, 以达到净化水质的目的。
2.3 影响活性炭吸附的因素
吸附能力和吸附速度是衡量吸附过 程的主要指标[3]。吸附能力的大小是用吸附量来衡量的, 而吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在水处理中, 吸附速度决定了污水需要和吸附剂接触时间。活性炭的吸附能力与活性炭 的孔隙大小和结构有关。一般来说, 颗粒越小, 孔隙扩散速度越快, 活性炭的吸附能力**越强。污水的 pH 值和温度对活性炭的吸附也有影 响。活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有较高的吸附量[4]。吸附反应通常是放热反应, 因此温度低对吸附反应有利。当然, 活性炭的吸 附能力与污水浓度有关。在一定的温度下, 活性炭的吸附量随被吸附 物质平衡浓度的提高而提高。
3.活性炭在污水处理中的应用
由于活性炭对水的预处理要求高, 而且活性炭的价格昂贵, 因此 在废水处理中, 活性炭主要用来去除废水中的微量污染物, 以达到深度净化的目的。
3.1 活性炭处理含铬废 水
铬 是 电 镀 中 用 量 较 大 的 一 种 金 属 原 料, 在废水中六价铬随 pH 值的不同分别以不同的形式存在。活性炭 有非常发达的微孔结构和较高的比表面积, 具有极强的物理吸附能 力, 能有效地吸附废水中的铬。活性炭的表面存在大量的含氧基团如 羟基( - OH) 、羧基( - COOH) 等, 它们都有静电吸附功能 , 对铬产生化 学吸附作用。完全可以用于处理电镀废水中的铬, 吸附后的废水可达 到**排放标准[5]。试验表明: 溶液中铬质量浓度为 50mg/L, pH=3, 吸 附时间 1.5h 时, 活性炭的吸附性能和铬的去除率均达到**效果[6]。 因此, 利用活性炭处理含铬废水的过程是活性炭对溶液中铬的物理吸 附、化学吸附、化学还原等综合作用的结果。活性炭处理含铬废水, 吸 附性能稳定 , 处理效率高 , 操作费用低 , 有一定的社会效益 和 经 济 效益。
3.2 活性炭处理含氰废水
在工业生产中, 金银的湿法提取、化学 纤维的生产、炼焦、合成氨、电镀、煤气生产等行业均使用**或副 产**[7], 因而在生产过程中必然要排放一定数量的含氰废水。活性 炭用于净化废水已有相当长的历史, 应用于处理含氰废水的文献报道 也越来越多。但由于 CN、HCN 在活性炭上的吸附容量小, 一般为 3 mgCN/ gAC～8 mgCN/ gAC ( 因品种而异) [8], 在处理成本上不合算。
3.3 活性炭处理含**废水
活性炭有 吸 附 ** 和 含 ** 化 合 物 的 性 能, 但吸附能力有限, 只适宜于处理含**量低的废水。如果含**的浓度较高, 可以先用化学沉淀法处理, 处理后含**约 1mg/L, 高时可达 2- 3 mg/L, 然后再用活性炭做进一步的处理。
3.4 活性炭处理含酚废水
含酚废水广泛来源于石油化工厂、树 脂厂、焦化厂和炼油化工厂。经实验证明: 活性炭对苯酚的吸附性能好, 温度升高不利于吸附, 使吸附容量减小; 但升高温度达到吸附平衡 的时间缩短。活性炭的用量和吸附时间存在**值, 在酸性和中性条件下, 去除率变化不大; 强碱性条件下, 苯酚去除率急剧下降, 碱性越 强, 吸附效果越差。
3.5 活性炭处理含甲醇废水
活性炭可以吸附甲醇, 但吸附能力 不强, 只适宜于处理含甲醇量低的废水。工程运行结果表明, 可将混合液的 COD 从 40mg/ L 降至 12mg/L 以下, 对甲醇的去除率达到 93.16%～**, 其出水水质可以满足回用到锅炉脱盐水系统进水的水质要求[9]。
3.6 炼油厂的深度处理
炼油厂含油废水, 经隔油、气浮和生物处 理后, 在经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水的含酚量从 0.1mg/L( 经 生 物 处 理 后 ) 降 至 0.005mg/L, 氰 从 0.19mg/L 降 至 0.048mg/L, COD 从85mg/L 降至 18mg/L。
3.7 活性炭处理含对氯苯酚的废水
对氯苯酚 ( P—chlorophenol)别名对氯酚, 4—氯苯酚,相对分子量为 128.56,对氯苯酚为白色针状晶 体, 工业品带黄色或粉红色。具有不愉快的刺激性气味, 相对密度为 ( 40℃/4℃)1.2651, 沸点为 217℃, 熔点为 42—43℃, 闪点为 121℃, 微溶 于水, 在水中溶解度为( 20℃) 27.1g/l, 易溶于苯、乙醇****、碱溶 液等, 1%的水溶液为酸性。对氯苯酚毒性强烈, 当皮肤吸收或吸入、吞 咽后都具有高毒性。对生物体组织有强烈刺激、易燃。对氯苯酚是严重的水源污染物质。如若不能合理处理含对氯苯酚的废水将对人们及其 他生物构成极大危害。因此, 该废水的处理一直是水处理研究中被受 关注的课题。现实工业中含酚废水的处理方法有化学法物化法及生化 法 , 吸附法等 , 如酚醛缩聚法、化学氧化法、溶剂萃取法、络合萃 取 法 等。由于吸附法设备简单、操作方便、净化率高、吸附量大、可以得到纯 度较高的回收物, 并且再生容易能耗低等诸多优点在工业上广泛应 用。
从环境和经济效益两个角度出发, 水处理技术应考虑兼顾资源回 收与废水处理达标排放两个方面的问题。吸附是一种操作简便、可实 现废水中有用资源回收利用、对高低浓度废水均适用的物理化学方 法, 但是如果吸附剂再生性能差、价格贵, 则很难在实际废水处理中被 普遍应用。
4.活性炭应用
随着科学技术的进步和废水处理的特殊要求, 活性炭的研究从本身的孔结构和比表面积逐步发展到 研究表面官能团对活性炭吸附性能的影响。例如, 活性炭纤维( 简称 ACF) 近年来在处理废水方面受到了科研工作者的重视 , 它的直径一 般为 5～20μm, 其制备原理与传统的活性炭制备相同 , 即将纤维状 碳 在 800℃以上用水蒸气或二氧化碳活化处理。活性炭纤维是利用炭纤 维技术和活性炭技术相结合发展起来的一种新型炭质吸附材料, 与颗 粒状活性炭相比具有比表面积大、微孔发达、孔径分布窄 、吸 附 速 度 快、吸附能力强和再生容易等特点。还兼有纤维的外型和特性能制成 纱、线、布和毡等 , 给工艺设备的简化和工程上的使用带 来 很 大 的 简 便。所以活性炭纤维广泛应用于空气净化和废水处理、制作化学防毒 服和防毒面具、吸附放射形物质及微生物、回收微量贵重金属等林领 域。纤维状活性炭的孔隙结构以微孔为主, 中孔很少, 几乎没有大孔, 比表面积可达 2500m2/g.具有吸附和脱附速率决, 吸附容量大, 导电性 高等特点。
以活性炭吸附法处理含量为 50%的含对氯酚废水进行了实验, 在 酸性条件下 , 向废水中加入活性炭 0.75g, 恒温反应 1h, 对氯酚的去 除 率达到 90%。而 ACF 对苯酚的吸附容量为 248mg/g, 吸附饱和后经多 次再生吸附容量几乎不变, 吸附性能比活性炭好。室温时, 在酸性或中 性条件下, 向 100mL 浓度为 282mg/L 的含酚模拟废水投加活性炭纤 维 0.5g, 恒温振荡 30min, 苯酚去除率可达 92%。实验表明, 用活性碳 或活性炭纤维处理某些工业废水简单可行, 成本较低, 处理效果非常 理想。
5.结论
当前中国使用活性炭吸附法处理废水的方法处于初始发展阶段。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, 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**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。
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