活性炭改性方法及其在水处理中的应用

2022-10-07

前言

活性炭是一种吸附性很强的环境友好型吸附剂, 有很好的吸附性能和催化性能。活性炭的原料来源广泛并且具有很高的安全性和稳定性, 具有耐酸碱、耐热、易再生等特点。实践表明, 活性炭对水中溶解的有机溶剂有很好的吸附性能, 对水质浑浊有明显的澄清作用, 并且能够去除水中的异味、臭味等, 还能够过滤水中的微生物, 因此在水处理行业中有着非常广泛的应用。本文就活性炭的改性方法和其在水处理方面的应用进行了简述, 旨在为活性炭及其改性产物在水处理行业中的应用提供一定参考。

一、活性炭的改性方法

1. 表面氧化改性

表面氧化改性是通过氧化剂对活性炭进行处理, 从而使活性炭表面的官能团发生氧化, 提高含氧的官能团 (羧基、酚羟基、酯基等) 数量, 增强活性炭的亲水性能, 即极性, 增强对极性物质的吸附能力的改性方法, 常用的氧化剂主要是双氧水、硝酸、臭氧、高氯酸等。其中硝酸的氧化性最强, 能够产生许多的酸性基团, 其他氧化剂则相对温和, 可以用于调整活性炭的表面酸性。氧化改性后的活性炭材料表面几何形状更加均匀, 并且使用不同的氧化剂能够得到韩阳官能团数量和极性不同的活性炭材料, 其中, 酸性含氧官能团含量的多少与氧化程度有很大的关系。

2. 表面还原改性

表面还原改性是通过还原剂对活性炭表面官能团进行还原改性, 从而增加活性炭表面含氧碱基基团及羟基官能团的含量, 从而增强其表面极性, 提高活性炭对非极性物质的吸附能力。常用的还原剂有氢气、氮气和氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等。高尚愚等利用氢气作为还原剂对活性炭材料进行了表面还原改性, 结果表明改性后的活性炭材料孔隙性能没有明显的变化, 但是其表面的含氧官能团数目明显降低, 从而提高了活性炭材料对苯酚等有机污染物的吸附能力。

3. 负载金属改性

表面负载改性是通过一些可溶性盐溶解中的金属离子负载到活性炭材料表面, 在高温条件下与周围的碳原子发生氧化还原反应, 从而使周围出现碳缺失, 从而达到扩孔目的。另外, 金属离子本身也对某种特定物质有良好的吸附能力。Wen-ming等利用硝酸铁和硫酸铁对活性炭进行负载改性, 实验结果表明, 在高温条件下, 金属盐通过分解释放的NOx、SOx与活性炭的孔道能够发生一定的化学反应, 从而增大了活性炭材料的孔径。同时, 金属盐在高温条件下被活性炭还原, 扩大了孔径。

4. 其他改性方法

除了以上提到的几种常见改性方法之外, 在活性炭改性领域, 许多学者还开发了酸碱改性、微波改性、等离子改性、电化学改性等多种方法。

二、改性活性炭在水处理中的应用

1. 有机物的去除

Maruyama等通过试验证明载有铂的各种活性炭材料在氧化还原过程中能够达到提高有机酸吸附作用的效果。李晶等也研究了活性炭改性材料对苯的吸附效果, 同时对改性后脱附活化能的改变进行了研究。潘红艳等通过试验研究了活性炭改性材料对苯酚的吸附效果。另外, 不同的改性方法得到的活性炭材料的吸附性能也不尽相同。姚丽群等先将活性炭材料进行氧化改性, 之后再进行负载改性, 并通过其对有机硫化物的吸附情况进行了深入研究, 结果表明该改性方法能够使活性炭表面化学性质发展很大改变, 并且不同的负载金属对不同有机硫化物有不同的吸附效果。

2. 去除水中重金属和重金属离子

改性活性炭对去除水中重金属和重金属离子有很好的效果。通过对活性炭材料进行改性, 引进对吸附重金属离子有重要作用的羧基、羟基、氨基等活性基团, 能够有效的提高活性炭材料对金属离子的吸附性能。范延臻等对改性活性炭表面特性及其对金属离子的吸附性能进行了深入研究, 该实验以硝酸为氧化剂, 在高温条件下回流1h对煤质活性炭进行了氧化改性, 实验结果表明, 该方法能够明显提高活性炭对水中铅离子的吸附量, 其吸附能力提高了105倍。Monser等人利用四丁基铵和二乙基二硫代氨基甲酸钠对活性炭材料进行了负载改性, 并且对改性后的活性炭对电镀废水中铜、铬、锌的去除效果进行了研究, 实验结果表明改性后活性炭材料吸附性格提高, 能够有效的去除电镀废水中的重金属离子。