活性炭的吸附，活性炭的再生，活性炭的使用 信息供應(yīng)
活性炭飲用水處理
活性炭是一種具有較大吸附能力的多孔性物質(zhì),它是一種非極性吸附劑，對水中非極性、弱極性有機(jī)物質(zhì)有很好的吸附能力，其吸附作用主要來源于物理表明吸附作用，如范德華力等。對于物理吸附，它的選擇性低，可以多層吸附，脫附相對容易，這有利于活性炭吸附飽和后的再生?；钚蕴吭诟邷刂苽溥^程中，炭的表面形成了多種官能團(tuán)，這些官能團(tuán)對水中離子有化學(xué)吸附作用，因此活性炭也可以去除多種重金屬離子。其作用機(jī)理是通過絡(luò)合鰲合作用，它的選擇性較高，屬單層吸附，并且脫附較為困難。
活性炭依其外觀形式，活性炭分為粒狀炭（GAC）和粉狀炭（PAC）兩種。粒狀炭多用于水的深度處理，其處理方式一般為粒狀活性炭濾床過濾，經(jīng)過一段時間吸附飽和后的活性炭被再生后重復(fù)使用。粉狀炭多用于水的預(yù)處理，例如在混凝時投加到水中，吸附水中的有機(jī)物后在沉淀時與礬花一起從水中去除，所投加的粉狀炭屬一次性使用，不再進(jìn)行再生。與粉狀炭相比，粒狀炭過濾的處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，吸附飽和后的活性炭可以再生重復(fù)使用，運(yùn)行費(fèi)用較低，因此水廠一般都使用粒狀炭吸附技術(shù)。粒狀炭的缺點(diǎn)是需單設(shè)炭濾池或?yàn)V罐，設(shè)備投資比粉狀炭高。
活性炭吸附是在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上去除水中有機(jī)污染物最有效最成熟的水處理深度處理技術(shù)。早在20世紀(jì)50年代初期，西歐和美國的一些以地表水為水源的水廠就開始使用活性炭消除水中的色、臭。直到目前，西歐以地表水為水源的水廠絕大多數(shù)仍采用活性炭吸附，以去除水中的微量有機(jī)污染物、色、臭等，對于需要長年吸附運(yùn)行的水廠，一般均采用粒狀炭過濾，粉狀炭主要用于季節(jié)性投加的場所。我國從20世紀(jì)70年代末、80年代初開始，也有少數(shù)水廠采用了粒狀活性炭吸附深度處理技術(shù)。
活性炭吸附對水中多種污染物有廣泛的去除作用?；钚蕴靠梢杂行コ鹚谐粑兜奈镔|(zhì)，如土臭素（geosmin）、2-甲基異莰醇（MIB）等。對芳香族化合物、多種農(nóng)藥等有很好的吸附能力。對許多重金屬離子，如汞、六價(jià)鉻、鎘、鉛等也有較好的吸附效果?；钚蕴繉λ兄峦蛔冃晕镔|(zhì)有較好的去除效果，多項(xiàng)研究表明，致突變活性檢測為陽性的水經(jīng)過活性炭吸附后致突變活性轉(zhuǎn)為陰性。美國環(huán)保局（USEPA）推薦活性炭吸附技術(shù)作為提高地表水水源水廠處理水質(zhì)的最佳實(shí)用技術(shù)。
但是活性炭吸附也有一定的局限性。對于三鹵甲烷類物質(zhì)，活性炭的吸附容量較低，如果以三鹵甲烷穿透作為活性炭濾床運(yùn)行周期的終點(diǎn)，炭床的再生周期一般只有3個月左右，而炭床吸附有機(jī)物的能力一般可以保持一年以上?；钚蕴繉ο靖碑a(chǎn)物的前體物的去除作用也有限。試驗(yàn)研究表明，飲用水處理中活性炭吸附去除的有機(jī)物的分子量主要分布在500～1000u（道爾頓）之間，分子量過大的有機(jī)物無法進(jìn)人活性炭的微孔吸附區(qū)，飲用水水源水中分子量較小的物質(zhì)多含有較多的羧基、羥基等，分子的極性較強(qiáng)，因活性炭屬于非極性吸附劑，對極性分子的吸附作用較差。活性炭應(yīng)用研究越來越受重視（1）?；钚蕴孔鳛闅庀嗪鸵合辔椒蛛x領(lǐng)域的傳統(tǒng)吸附劑已應(yīng)用了許多年。但關(guān)于它對特定吸附質(zhì)的有效孔問題，雖經(jīng)多年?duì)幷?，目前仍無統(tǒng)一認(rèn)識。
有效吸附孔概念的提出，是基于如下的理論認(rèn)識：在吸附分離技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時，活性炭對特定吸附質(zhì)的富集實(shí)際處于動態(tài)過程中，孔寬度小于吸附質(zhì)臨界分子直徑的那部分孔隙是無效孔，過寬的孔隙實(shí)際上只起到擴(kuò)散通道的作用。只有孔寬度≥吸附質(zhì)臨界分子直徑，≤特定尺寸的某一范圍的孔隙才能吸持吸附質(zhì)，是該吸附質(zhì)的有效吸附孔。動態(tài)吸附平衡量表征了有效吸附孔的孔容積。
我們在活性炭變壓吸附分離苯的工藝研究中，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)吸附法得到的孔分布結(jié)果可以與某些常規(guī)檢測數(shù)據(jù)很好地關(guān)聯(lián)，從而得到活性炭對某些特定吸附質(zhì)有效吸附孔的孔徑分布范圍，似可用以指導(dǎo)活性炭的應(yīng)用研究，尤其是用于特種活性炭吸附劑的孔分布設(shè)計(jì)。
1、活性炭樣品的制備和檢測
選用新華牌DX09活性炭，用小型活化爐在880～920℃水蒸汽深度活化。活化程度控制：在原DX09炭基礎(chǔ)上再燒失45～50%wt.，總計(jì)獲得深度活化的TDX09炭樣品2.4kg。深度活化前后炭樣分別編號為AC和ACT。
用麥克公司Micromeritics ASAP 2000M型自動吸附儀測定試樣的BET表面積，并用密度函數(shù)法（DFT法）數(shù)據(jù)處理軟件獲得試樣的DFT微分孔寬分布。
炭樣的亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值和四氯化碳吸附率的測定分別按GB/T7702.6-1997，GB/T7702.7-1997，GB/T7702.13-1997進(jìn)行。
2、結(jié)果與討論
2.1 深度活化前后炭樣分析結(jié)果
樣品的SBET、DFT法表面積、孔容積、碘值、亞甲基藍(lán)值和四氯化碳吸附率檢測數(shù)據(jù)見表1。樣品DFT法孔隙寬度（以下稱為孔徑）～微分孔容見圖1和圖2。
表1 樣品性能及孔結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果
樣號 碘吸附值 mg/g
亞甲藍(lán)吸附值 mg/g
CCl4吸附率 %
SBET m2/g
DFT總孔容 cm3/g
DFT總比表面積 m2/g
AC 962 165 66 1006.79 0.4509 729.92
ACT 1249 192 104 1192.06 0.7609 847.85
2.2 深度活化前后活性炭孔徑分布的變化
從圖1中分別量取、分段計(jì)算深度活化前后各孔徑范圍的微分峰累積面積，核算各孔徑區(qū)段的累積微分孔容值，處理結(jié)果見表2和表3。
關(guān)于用DFT法描述活性炭狹縫型孔結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，已被我們的研究工作證實(shí)，文獻(xiàn)(2)(3)中已有詳細(xì)論述。從表2數(shù)據(jù)可以看出，深度活化使活性炭0.5～1nm范圍的微孔孔容減小了26.45%，1～50nm范圍的孔隙容積增大，尤其是孔徑3～4nm的過渡孔孔容增加了四倍多?？梢姡嘿|(zhì)活性炭深度活化時，擴(kuò)孔速度最快的是孔徑3～4nm的過渡孔，其次是孔徑4～50nm之間的過渡孔。
表2 各孔徑區(qū)段微分孔容積數(shù)據(jù)處理結(jié)果
孔徑范圍
Nm 炭樣AC 炭樣ACT (△V2－△V1）/△V1×100
微分峰面積
△S1，mm2 微分孔容積
△V1，cc/g 所占份額
% 微分峰面積
△S2，mm2 微分孔容積
△V2，cc/g 所占份額
%
0.5～1.0 656.84 0.1520 32.07 384.54 0.1118 13.69 －26.45
1.0～1.4 407.16 0.0943 19.88 426.16 0.1239 15.17 31.39
1.4～3.0 712.68 0.1650 34.80 1112.80 0.3235 39.61 96.06
3～4 116.16 0.0269 5.67 473.60 0.1377 16.86 411.90
4～10 112.00 0.0259 5.47 292.88 0.0851 10.42 228.57
10～50 43.12 0.0100 2.11 119.44 0.0347 4.25 247.00
總計(jì) 2047.96 0.4741 100.00 2809.42 0.8167 100.00
0.5～0.6 62.20 0.0144 29.93 0.0087
1.0～1.05 78.00 0.0181 72.40 0.0210
1.05～2.0 616.85 0.1428 575.85 0.1674
1.4～2.0 320.09 0.0741 270.04 0.0785
2.0～2.8 309.72 0.0717 633.99 0.1843
說明：表2中△V1=0.5mm·△S1·0.0004630cc/(g·mm)，其中0.5mm為圖1中微分單峰間距的一半，0.0004630cc/(g·mm)為圖1中縱座標(biāo)的分度平均值；
△V2=0.5mm·△S2·0.0005814cc/(g·mm)，其中0.0005814cc/(g·mm)為圖2中縱座標(biāo)的分度平均值。
表3 按孔隙分類法的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
分類法 孔隙類別 孔隙直徑
nm AC樣品 ACT樣品 (△V2－△V1）/△V1×100
△V1
cc/g 所占份額
% △V2
cc/g 所占份額
%
杜比寧
分類法 微孔 <1.4 0.2463 51.95 0.2357 28.86 －4.30
次微孔 1.4～3.0 0.1650 34.80 0.3235 39.61 96.06
過渡孔 3.0～400 0.0628 13.25 0.2575 31.53 310.03
IUPAC
分類法 微孔 <2.0 0.3129 66.00 0.3002 36.76 －4.06
過渡孔 2.0～50 0.1612 34.00 0.5165 63.24 220.41
由表3得知，不論采用哪種活性炭孔隙分類方法，得到的結(jié)論都是相同的——深度活化可使煤質(zhì)活性炭的過渡孔得以明顯發(fā)展。在以下的討論中，孔隙分類仍采用習(xí)慣分類即杜比寧分類法。
2.3 活性炭對碘、亞甲藍(lán)和四氯化碳的有效吸附孔范圍
在活性炭生產(chǎn)中，我們常通過測試產(chǎn)品對碘和亞甲藍(lán)的吸附值來評價(jià)該產(chǎn)品的液相吸附能力；通過測試產(chǎn)品對四氯化碳（或苯）蒸氣的吸附率來評價(jià)該產(chǎn)品的氣相吸附能力。
前面已提到，活性炭對特定吸附質(zhì)的最小有效吸附孔徑與該吸附質(zhì)的臨界分子直徑相當(dāng)。有效吸附孔徑的上限值如何確定？已有文獻(xiàn)(4)指出，特定吸附質(zhì)在活性炭孔隙中的最大吸持量等于該吸附質(zhì)在有效吸附孔隙中的充填體積，亦即等于有效吸附孔的累積微分孔容值。故可認(rèn)為：
(△V2－△V1）/△V1=(α2－α1）/α1即有：△V2/△V1=α2/α1
其中α1和α2分別為深度活化前后吸附質(zhì)在活性炭中的吸附量。
根據(jù)上述推論，可采用如下方法確定活性炭對某吸附質(zhì)的有效吸附孔的孔徑上限：查找該吸附質(zhì)的臨界分子直徑數(shù)據(jù)，確定有效吸附孔的孔徑下限；從該下限值所對應(yīng)的DFT圖微分孔容積峰開始，逐峰累積峰面積并換算成△V1和△V2，當(dāng)△V2/△V1比值與α2/α1比值相當(dāng)時，△V1和△V2所對應(yīng)的孔徑即為有效吸附孔的孔徑上限值。鞏義市億洋凈水材料廠電話：0371-69599709
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