改性活性炭处理废水的研究进展

引言

活性炭本身因其具有发达的孔隙结构, 因而在对废水中的有机或无机污染物的吸附上有着十分显著的作用, 且活性炭对于污染物的吸附种类多样, 吸附能力突出, 因而在水处理领域应用较为广泛。但是伴随着越来越多的高分子化合物以及其他化学类合成品的大量应用, 活性炭在污染物吸附中逐步乏力, 因此, 需要对活性炭进行改性, 以提高其对高分子化合物等污染物的亲和力, 增强污水处理效果。国内外许多学者也对活性炭的改性工作进行了大量的研究, 并取得了较好的成绩。

一、活性炭改性的研究

活性炭内部具有极大的比表面积, 其数值大约为每克500-1500平方米, 且活性炭内部孔隙结构发达, 表面具有多种多样的官能团结构, 因而具有极强的吸附能力, 能够对污水中大多数污染物进行高效吸附, 吸附范围很宽。但是近年来, 随着化学合成工业的进步, 越来越多的高分子化合物排入水体, 造成了严重的水质污染。活性炭对于此类高分子化合物的吸附作用逐渐减弱, 因此, 活性炭改性技术应运而生。活性炭改性技术是指通过化学或物理方法, 对活性炭表面官能团进行改性或对其内部孔隙进行改性, 使其对高分子化合物能够具有更高的吸附亲和力以及更强的吸附容量和能力。对活性炭物化性质的改变, 主要包括表面官能团、比表面积、孔隙率、孔径等多种方面。

改性活性炭的研究目前多集中在不同的改性技术对于活性炭物化性质的改变以及对于水相污染物处理能力的提高上, 也是近些年来的研究热点, 目前已有的改性技术主要包括氧化法、还原法以及加载不同离子或化合物法。

二、活性炭改性方法研究

国内外近年来针对活性炭改性方法的研究主要集中在表面氧化、还原改性以及负载单一或多种离子及化合物的改性方法研究上。

1. 表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性由于主要利用各种酸性溶液对其进行改性处理, 因而又叫做酸性改性方法。其主要原理是通过在酸性溶液中的处理, 使得活性炭表面的酸性含氧官能团数量得到提高, 改善活性炭的亲水性和极性, 弥补活性炭对于水溶液中极性物质吸附能力低下的缺陷, 使其在对极性和非极性物质的吸附中都能够有较好的表现。国际上许多学者对酸性改性方法及其性能进行了详细的研究与探讨。

A.GiL利用硝酸和过氧化氢的酸性溶液作为活性炭表面改性的氧化剂, 对活性炭进行不同温度下的改性方法研究, 并得出了采用硝酸溶液进行表面氧化, 在低温时, 表面氧化改性主要是改变了活性炭内部孔隙容积, 从而改变其吸附能力;而在高温达到摄氏90度时, 酸性改性的活性炭内部中孔减少更多, 取而代之的是更多数量的微小孔隙, 更增加了其比表面积, 吸附能力得到强化。而采用过氧化氢溶液对活性炭进行氧化改性处理后, 相较于硝酸做氧化剂得到的效果要有所不及, 从而得出硝酸相比于过氧化氢溶液更适合作为活性炭改性的氧化剂。

学者Moreno-Castilla等人利用过氧化氢、 (NH4) 2S2O4以及硝酸对活性炭进行表面改性氧化处理, 并利用比表面积、傅里叶红外光谱分析、扫描电镜分析等方法对其改性后性能进行表征, 结果表明, 氧化改性后的活性炭极性明显增加, 且通过扫描发现, 其表面官能团数量较之未改性前有了很大提高, 其吸附能力得到很大提升。Tsutsumi等学者则将经过氧化改性后的活性炭置于空气中, 经分析发现, 改性活性炭表面羟基数量明显增加, 亲水性和极性有明显提高, 对水中有机物、无机物的吸附能力明显增强。

国际上有许多学者将改性活性炭应用于水处理领域, 并对此进行了大量的工作。Morwski等学者利用硝酸氧化改性后的活性炭对水中的污染物质三卤代甲烷进行吸附, 并与未改性前活性炭吸附能力进行对比, 结果表明, 改性后的活性炭对于三卤代甲烷的吸附能力明显高于改改性活性炭, 吸附量大于125mg/g。Haydar等研究人员将硝酸混合次氯酸钠溶液氧化改性后的活性炭用于对水中p-硝基苯酚的吸附, 实验结果表明改性后的活性炭对于p-硝基苯酚的吸附能力有了明显提高, 这主要是由于含氧官能团数量的增加, 尤其是羧基这种官能团数量的增加。但是由于改性后活性炭内部空隙组织变化, 反而影响了其吸附容量, 其吸附能力极值可以达到490mg/g以上。

国内也有很多学者对活性炭改性进行了大量研究。张岩等研究人员利用硝酸对活性炭进行改性处理, 并用于吸附水中的硝基苯, 通过对比未改性前的活性炭吸附情况, 发现改性后的活性炭吸附能力大大提高, 对于水中硝基苯的去除率达到了99.8%以上, 性能得到很大提高。

田生友采用与A.GiL学者相似的方法氧化活性炭, 实现活性炭的改性处理, 并用于吸附CS2, 实验取得了很好的效果, 改性后活性炭吸附能力得到极大提高, 提高幅度约为44%。此外, 对于污水中重金属离子的去除, 氧化后的改性活性炭也能起到较好的去除效果。采用A.GiL学者制取的改性活性炭, 对水中二价铅离子可以进行很好的去除;而利用Moreno-Castilla等人制备所得活性炭可以对水中三价铬离子实现很好的去除。

2. 还原改性

与表面氧化改性类似, 还原改性主要是利用还原剂对活性炭进行表面处理, 其主要目的也是改变活性炭表面呈碱性的官能团数量。与氧化改性不同之处在于, 还原后的活性炭主要是为了提高对水溶液中的非极性物质实现更好的吸附效果。常用的还原剂有还原性气体, 如H2等, 碱溶液, 如NaOH溶液等。由于水体中非极性污染物多来源于染厂、农药、化工产品等, 因此, 还原处理的改性活性炭常用于受农药或化工污染的水体的污染物吸附。

Pereira等人在研究中发现, 还原改性活性炭对于染厂排出的污染物的吸附主要是化学作用, 即利用表面碱性官能团与主要污染物发生反应, 实现对污染物的吸附。利用还原性气体对活性炭实现改性时, 须在高温下进行, 利用H2对活性炭进行改性处理, 分析制备所得活性炭可知, 活性炭内部比表面积得到很大提高, 并应用于多种农药的吸附后效果很好。

3. 加载杂原子及化合物法

除上述氧化及还原改性方法外, 目前国内外学者还对活性炭加载杂原子及化合物进行改性处理, 加入的杂原子一般为氧、硫、氮、氯等, 除此之外, 还有金属及非金属原子和化合物, 经过该种方法改性后的活性炭一般用于吸附特定的污染物。

Monser利用沉降法, 将四丁基铵用于改性活性炭处理, 经过处理后的活性炭对电镀废液中重金属离子吸附能力较之活性炭吸附能力较强。Ramos等人利用铝对活性炭进行改性处理, 得到的改性活性炭针对氟化物的吸附能力提高了3-5倍。结论

改性活性炭解决了活性炭对越来越多类型的水体污染处理能力不足的现状, 在废水处理方面具有越来越突出的技术优势。本文对国内外现有的活性炭改性技术进行了较为全面的综述, 针对氧化改性、还原改性以及负载杂原子等方法获得的改性活性炭及其应用范围以及应用效果, 本文也做了详细的论述。本文对活性炭改性方法及应用的研究能够提供一定的理论和方向指导。

摘要：工业的迅速发展带来了经济的高速发展, 但同时也带来了大量的负面效应。我国工业的粗放型发展模式以大量的投入资源和人力作为代价, 随之而来的是环境的破坏, 其中尤其以水体污染最为严重。工业废水多含重金属离子以及氨氮等废液, 目前对于废水的处理中, 采用活性炭或改性活性炭进行吸附处理的方法较为常见。本文主要对目前常见的改性活性炭的方法及其在废水处理中的应用进行综述。

关键词：废水,处理,改性活性炭,综述

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