活性炭在环境科学领域的应用
文件类型：DOC/Microsoft Word 文件大小：5749字节
内容摘要：
活性炭在环境科学领域的应用
张康丽
(华南师范大学化学与环境学院 广州 510631)
摘要: 综述了活性炭在环境科学领域的应用现状.在水处理方面主要为:上水处理,工业用水处理,生活污水处理,工业废水处理;在气体污染防治方面主要为:室内空气污染,烟气脱硫,汽车尾气处理,防毒面具及滤毒通风装置.并展望了活性炭材料改性的前景.
关键词:活性炭; 改性活性炭;活性炭纤维(ACF);环境科学;应用
The Application of Activated Carbon in Environmental Science Field
Zhang kangli
(Chemistry and Enviroment of South China Normal University Guangzhou 510631)
Abstract :The application of activated carbon in environmental science field was reviewed. The field of water treatment includes municipal supplying water , industrial supplying water , municipal waste water , industrial waste water. The field of air pollution control includes indoor air purification , fumes desulfurization, control of automobile tail gas,gas defense mask and filtered poisonous gas installation. Finally, some points of idea on modification for activated carbon materials are introduced.
Key words: Activated carbon; Modified activated carbon; Activated carbon fiber(ACF);
Environmental science; application
活性炭作为一种重要的碳素材料,由微晶炭和无定形炭构成,含有数量不等的灰分,是一种黑色多孔固体,孔隙结构发达,具有巨大的比表面积和超强的吸附能力,比表面积一般可高达1000～3000m2/ g ,对气体,溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力.作为一种性质优良的吸附剂,活性炭具有独特的孔隙结构和表面活性官能团,化学性质稳定,机械强度高,耐酸,耐碱,耐热,不溶于水和有机溶剂,使用失效后可以再生,广泛地应用于环保,化工,食品加工,湿法冶金,药物精制,军事化学防护等各个领域,已经成为国民经济和国防建设以及人们日常生活必不可少的重要产品[1].
随着世界范围内工业技术的快速发展,近年来环境污染日益严重.而活性炭在治理环境污染方面则越来越显示出诱人的前景[1] .在环境保护领域,活性炭已经成为一种极其重要的吸附剂,被广泛用于污水处理,大气污染防治等各个方面.随着科学技术的迅猛发展,对活性炭的性能要求也越来越高,普通活性炭存在比表面积小,孔径分布较宽和吸附选择性能差等不足,已远不能满足国内外市场的要求.对活性炭改性,使之功能化已成为活性炭发展的必然趋势.本文介绍活性炭,改性活性炭及活性炭纤维(ACF)在环境科学领域的应用.
1 水处理
水处理是环境保护的重点.发达国家水处理方面的活性炭用量占其总用量的40%左右.我国虽然有11 万t的产量,但出口7 万t ,真正用于国内环境保护的活性炭用量最多只有生产量的1/ 10 左右[1] .活性炭在水处理方面的最早应用是美国于1932 年底开始的,用于芝加哥的自来水处理,并很快在各地自来水厂普及.然后又推广到工业用水,城市下水和工业废水处理等方面.
1. 1 上水处理
水质标准最严格的是饮用水和上水源水.它对水中的微量有毒成分,pH,大肠杆菌,生物耗氧量,臭味等都有相应的严格要求.自来水用活性炭处理,可以除去有机杂质,各种臭味,这比用氯和漂白粉处理好,它不会造成含氯碳氢化合物(如氯甲烷) 的形成.此外,活性炭处理自来水不会导致Ca,Mg的损失.
随着科技的进步,人们对饮用水的质量要求越来越严格.在我国采用活性炭吸附技术或采用活性炭为主体家用净水器去除饮用水中有机微污染,其出水中亚硝酸盐含量均超过生活饮用水标准( GB574485) .如何抑制亚硝酸盐的形成已成为家用净水器普及应用的关键问题之一.王琳等[2]利用强氧化剂对活性炭进行改性,改变了活性炭表面官能团的性质,使原来具有催化还原能力的官能团改性为具有氧化能力的官能团,从而抑制了活性炭吸附水中亚硝酸盐的形成,出水中亚硝酸盐的浓度从未改性活性炭的2.0mg/ L ,降低为改性后的0.01mg/ L .
ACF 对水净化有特殊功能,例如,对水质混浊有明显的澄清作用,可以除去水中的异臭,异味;对水中含高铁,高锰等无机物净化效果明显;对氰,氯,氟,酚等有机化合物去除率达90 %以上,对细菌有极好的过滤效果,如大肠杆菌去除率达98 %.用ACF 制造的饮用水净化装置不仅净化效率高,而且处理量大,装置紧凑占地面积小,设备投资少,效益高.活性炭纤维在水处理中应用最成功的地方是制备电子工业的高纯水及水中微量有机物的净化[3].
1. 2 工业用水的处理
工业用水因使用目的不同而有不同的标准.高纯度水主要应用于电子工业,化学工业,医药工业.无论采用何种方法获得高纯度水,活性炭处理必然是不可缺少的一个环节[1] .活性炭处理主要是除去有机物,胶质,农药残留物,游离氯,致"热原"和少量的二氧化碳和氧等气体(去除气体对高压或临界状态运行的发电锅炉尤为重要) .
1. 3 城市居民生活污水的处理
随着人类文明的进步和经济的发展,城市化进程必然加速,这就使城市居民生活污水污染水源的问题变得尤为严重.为了治理城市居民生活污水,一般采用"二级"或"三级"处理,活性炭通常用于三级处理中的第三级处理,经过三级处理的水质可达到总有机碳含量<5 mg/ L ,高锰酸盐指数< 10 mg/L ,从而大大减轻对环境的破坏程度.东京大学利用改性ACF(中孔丰富) 对地表水源进行处理,对THM 潜在物的去除率达80 %,TOC 的去除率大于50%,吸附饱和的ACF 可以利用碱性物质再生[4] .
1. 4 工业废水的处理
工业废水的处理是环境保护的重大课题之一.由于工业企业的门类很多,不同工厂企业生产的产品不同,工业废水的水量和所含污染物也千差万别,但绝大多数都有毒害作用.工业废水处理通常也分为"二级"和"三级"处理.特别是对严重缺水的国家和地区尤为值得重视.活性炭吸附法作为工业废水深度处理的一种重要方法或环节,绝大多数用在第三级,但也有少量用于只有二级处理的第二级.
含苯胺废水是一种危害十分严重而又普遍存在的工业废水.经过CTS处理后的活性炭有着比活性炭更强的吸附能力,提高了苯胺的吸附率,效果更好.随着改性活性炭的CTS重量百分浓度的增加,苯胺的去除率逐渐提高,当CTS的重量百分浓度为0.7%时,苯胺的去除率可达99.3%[2] .
酚类有机物是化工,制药,炼焦等行业排放的最常见的污染物之一.ACF 对微量有机物的吸附捕获能力远高于活性炭,吸附速率比活性炭高5 倍～10倍,因而更适用于废水中微量有机酚和其他污染物的治理.用ACF 处理含酚工业废水,出水苯酚质量浓度可下降至015mg/ L 以下,这是目前已知的其他吸附剂所难以达到的.同时ACF 还能用于PCBs 废水,制药厂高浓度废水,炼油厂环烷酸综合废水,印染,造纸黑液废水,染料废水等的处理[3].
2 气体污染防治
2. 1 室内空气污染的防治
人们的日常生活,如居室,厨房,厕所以及公共场所等,由于人们的生活活动,都会给自己的生活小环境的空气带来一定程度的污染.其污染物主要是少量的H2S,SO2 ,CO,CO2 ,氮氧化物,NH3 ,居室装潢的挥发性溶剂,油烟及汗酸臭味等等.采用活性炭吸附过滤法最为合适,通常是用活性炭过滤和空调,换气设备联用的方法.
氨由于其较小的分子量并有极性,而较难被吸附,因此,为了取得较好的吸附效果,国内外学者研制了数种改性活性炭.结果表明,以亚铁盐和铜盐配方处理的活性炭对其有很好的吸附性能.NH3 浓度为28～35mg/ m3 时,改性前后活性炭对NH3 的吸附效率变化曲线,见图1 .可见,未浸渍活性炭(0# ) 基本上无实用意义,市售脱臭活性炭(1 #) 很快失效,而经过浸渍处理的FeSO4·7H2O 含量为18 %～27%的改性活性炭(2# ) 和CuSO4·5H2O 含量为17 %～28 %的改性活性炭(3 #) 吸附效率明显提高[2] .
汞是易挥发的剧毒物质,对人体危害极大,因此汞蒸汽污染的防治是环保的重要课题.经化学处理的活性炭可以有效地脱除空气或其他载气中的汞蒸汽.例如,在活性炭中添加碘,银或者双硫腙等的螯合剂,对汞蒸汽的吸附能力就会变得非常大,另外,氧化活性炭对汞蒸汽的吸附比未处理的活性炭大20 倍左右.
2. 2 烟气脱硫
煤和石油的使用都造成硫的排放,由其引起的全球的硫污染已经成为大气污染防治的一个重要内容.我国70 %的能源来自燃煤,硫已经成为我国大气污染的主要污染源.据国家有关部门的统计,我国绝大部分大中城市和近三分之一的国土都受到酸雨的危害,有个别城市酸雨的pH 已达到4 .防治酸雨已成为我国环境保护的紧迫内容.要治理硫的污染有两条路可选:一是尽可能采用含硫低或不含硫能源,二是烟气脱硫.烟气脱硫目前有3 种技术路线:石灰乳中和,高压电场氧化和活性炭脱硫,其原理如下:
Ca (OH) 2 + SO2 →CaSO3 + H2 ,
2SO2 + O2 (高压电场或活性炭)→2SO3 ,
SO3 + H2O →H2SO4 ,
2H2S + O2 →2S + 2H2O.
3 种方法各有利弊,石灰乳中和法具有上马快,易操作的优点,但生成物为亚石膏,二次处理只能掺入做水泥,硫元素没有很好利用;高压电场法具有设备简单,硫利用好,这是近年来才研究成功的方法,所得稀硫酸加氨水中和生成硫酸铵作为肥料,但硫化氢脱除有一定困难;活性炭脱硫国内外均比较成熟,而且可以脱除SO2 ,H2S 和有机硫.国外大型烟气脱硫(如电厂脱硫) 和国内化肥厂的合成气脱硫大多采用活性炭脱硫工艺.有研究表明:活性炭脱硫率与活性炭表面含氧基团有关,主要与" = C = O"(烯酮基) 有关.此外,活性炭担载氧化铝,硫酸锰,水杨酸和胺基可提高烟气脱硫能力[5].
2. 3 汽车尾气污染防治
研究表明:汽车已经成为城市空气的重要污染源之一,据测定,汽车燃油挥发物造成的污染占汽车总污染的30 %～40 % ,占尾气排气污染的60 %～70 %.燃油挥发物和排气中的碳氢化合物在紫外线照射下会造成光烟雾污染.此外燃油的挥发既浪费了能源,也给司机和乘客带来了不愉快的气味.发达国家,如美,日,西欧各国早在20 世纪70 年代就用活性炭吸附的燃油蒸发控制装置( ELCD) 来解决这一问题.我国近年来也正在进行这方面的研究开发[6].
2. 4 防毒面具及滤毒通风装置
活性炭用于防毒面具始于第一次世界大战,并且成了推动当时活性炭工业发展的重要因素.但由于气体和蒸汽状化学毒剂的种类最多,分子结构和特性各异,单一的作用难以达到全面滤毒的目的,目前世界各国均将活性炭分别浸渍铜,银,锌等金属氧化物以及吡啶,皮考啉等制成专用活性炭—催化剂.美国称作ASC 活性炭或急特拉特活性炭[2].
3 活性炭应用展望
为了使活性炭这种神奇的绿色环保吸附材料能够更广泛地应用到垃圾焚烧,室内空气净化,高速公路隧道以及大城市交通过密地区的空气治理等新的领域,应当在有效降低其成本的同时,针对特定的场合和目的有针对性地进行改性,使其能够更好地应用于环境治理.为达到这一目标,应着重从以下一些方面对活性炭材料进行改性研究:
(1) 针对特定的应用领域及目的,选择能够控制炭化产物表面组成的原料,通过合适的活化工艺获得最合适的孔径分布以及最大的比表面积,并使活性炭材料的形状,强度及填装形式和填装空隙更加容易控制.
(2) 通过活化方法的改进以及恰当的助剂,使活性炭材料表面的含氧官能团更加丰富且易于控制其表面活性点及周边构造的改性.
(3) 通过触媒的选择和担载方法的改进,使金属及其氧化物在活性炭材料表面的分布以及与表面官能团 的协同作用功能更加合理.
参考文献:
1 戴芳天.活性炭在环境保护方面的应用. 东北农业大学学报,2003,31(2);48～49.
2 江霞,蒋文举,金燕,张振鹏.改性活性炭在环境保护中的应用.环境科学与技术,2003,2;(3);55～57.
3 耿虹,仲兆平.活性炭纤维(ACF)在环境保护中的应用.能源研究与利用,2003,(5);17～18
4 龙向宇,黄种买,伍发元.活性炭纤维在水处理中的应用现状.电力环境保护,2004,20(1);46～48.
5 卜洪忠,蒋剑春. 改性活性炭材料用于烟气脱硫.林产化工通信;2005,39(5);29～31.
6 范秀娟,富雪菲,郭晓燕.活性炭吸附器在尾气处理中的应用.北方环境;2003,28(2);66～67.
·上一篇：
嘉兴市先进制造业基地建设重点领域·下一篇：
第六届中国十大女杰评选揭晓
