活性炭处理工业废水的应用
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国家, 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, 其中不仅含有氰化物、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。解毒作用就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, 活性炭的吸附能力就越强。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国家排放标准[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最佳效果[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氰化物或副产氰化物[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 活性炭处理含汞废水活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能, 但吸附能力有限, 只适宜于处理含汞量低的废水。如果含汞的浓度较高, 可以先用化学沉淀法处理, 处理后含汞约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最佳值, 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 %～100%, 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、乙醚、氯仿、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.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就显得十分重要。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。
【参考文献】
[1] 高廷耀、顾国维, 水污染控制工程,下册( 第二版) , 高等教育出版社, 1999.
[2] 黄瑞光, 21 世纪电镀废水的发展趋势[J], 电镀与精饰, 2002, 24( 3) : 1～2.
[3] 刘培桐等, 环境学概论, 高等教育出版社, 1995, 10.
[4] 李国斌、杨明平, 粉煤灰活性炭处理含铬电镀废水, 材料保护, 2004, 37( 12) .
[5] 黄巍。活性炭吸附法处理含铬电镀废水探讨[J], 江苏环境科技, 2001, 14( 3) .
[6] 李德永、武丽丽, 含氰废水的处理方法, 山西化工, 2005, 25( 2) .
[7] 韦朝海, 肖锦, 含氰废水处理方法的发展及评述[J], 工业水处理, 1991, 11 ( 2) : 3～8.
[8] 王海荣、刘秉涛、李凯慧, 吸附法处理含酚模拟废水的实验研究, 河南化工, 2005.
[9] 李伟光, 给水排水12, 2003, 29( 12) 1247～49。
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