活性炭的吸附，活性炭的再生，活性炭的使用 信息供应

活性炭饮用水处理
活性炭是一种具有较大吸附能力的多孔性物质,它是一种非极性吸附剂，对水中非极性、弱极性有机物质有很好的吸附能力，其吸附作用主要来源于物理表明吸附作用，如范德华力等。对于物理吸附，它的选择性低，可以多层吸附，脱附相对容易，这有利于活性炭吸附饱和后的再生。活性炭在高温制备过程中，炭的表面形成了多种官能团，这些官能团对水中离子有化学吸附作用，因此活性炭也可以去除多种重金属离子。其作用机理是通过络合鳌合作用，它的选择性较高，属单层吸附，并且脱附较为困难。
活性炭依其外观形式，活性炭分为粒状炭（GAC）和粉状炭（PAC）两种。粒状炭多用于水的深度处理，其处理方式一般为粒状活性炭滤床过滤，经过一段时间吸附饱和后的活性炭被再生后重复使用。粉状炭多用于水的预处理，例如在混凝时投加到水中，吸附水中的有机物后在沉淀时与矾花一起从水中去除，所投加的粉状炭属一次性使用，不再进行再生。与粉状炭相比，粒状炭过滤的处理效果稳定，出水水质好，吸附饱和后的活性炭可以再生重复使用，运行费用较低，因此水厂一般都使用粒状炭吸附技术。粒状炭的缺点是需单设炭滤池或滤罐，设备投资比粉状炭高。
活性炭吸附是在常规处理的基础上去除水中有机污染物最有效最成熟的水处理深度处理技术。早在20世纪50年代初期，西欧和美国的一些以地表水为水源的水厂就开始使用活性炭消除水中的色、臭。直到目前，西欧以地表水为水源的水厂绝大多数仍采用活性炭吸附，以去除水中的微量有机污染物、色、臭等，对于需要长年吸附运行的水厂，一般均采用粒状炭过滤，粉状炭主要用于季节性投加的场所。我国从20世纪70年代末、80年代初开始，也有少数水厂采用了粒状活性炭吸附深度处理技术。
活性炭吸附对水中多种污染物有广泛的去除作用。活性炭可以有效去除引起水中臭味的物质，如土臭素（geosmin）、2-甲基异莰醇（MIB）等。对芳香族化合物、多种农药等有很好的吸附能力。对许多重金属离子，如汞、六价铬、镉、铅等也有较好的吸附效果。活性炭对水中致突变性物质有较好的去除效果，多项研究表明，致突变活性检测为阳性的水经过活性炭吸附后致突变活性转为阴性。美国环保局（USEPA）推荐活性炭吸附技术作为提高地表水水源水厂处理水质的最佳实用技术。
但是活性炭吸附也有一定的局限性。对于三卤甲烷类物质，活性炭的吸附容量较低，如果以三卤甲烷穿透作为活性炭滤床运行周期的终点，炭床的再生周期一般只有3个月左右，而炭床吸附有机物的能力一般可以保持一年以上。活性炭对消毒副产物的前体物的去除作用也有限。试验研究表明，饮用水处理中活性炭吸附去除的有机物的分子量主要分布在500～1000u（道尔顿）之间，分子量过大的有机物无法进人活性炭的微孔吸附区，饮用水水源水中分子量较小的物质多含有较多的羧基、羟基等，分子的极性较强，因活性炭属于非极性吸附剂，对极性分子的吸附作用较差。活性炭应用研究越来越受重视（1）。活性炭作为气相和液相吸附分离领域的传统吸附剂已应用了许多年。但关于它对特定吸附质的有效孔问题，虽经多年争论，目前仍无统一认识。
有效吸附孔概念的提出，是基于如下的理论认识：在吸附分离技术实际应用时，活性炭对特定吸附质的富集实际处于动态过程中，孔宽度小于吸附质临界分子直径的那部分孔隙是无效孔，过宽的孔隙实际上只起到扩散通道的作用。只有孔宽度≥吸附质临界分子直径，≤特定尺寸的某一范围的孔隙才能吸持吸附质，是该吸附质的有效吸附孔。动态吸附平衡量表征了有效吸附孔的孔容积。
我们在活性炭变压吸附分离苯的工艺研究中，发现静态吸附法得到的孔分布结果可以与某些常规检测数据很好地关联，从而得到活性炭对某些特定吸附质有效吸附孔的孔径分布范围，似可用以指导活性炭的应用研究，尤其是用于特种活性炭吸附剂的孔分布设计。
1、活性炭样品的制备和检测
选用新华牌DX09活性炭，用小型活化炉在880～920℃水蒸汽深度活化。活化程度控制：在原DX09炭基础上再烧失45～50%wt.，总计获得深度活化的TDX09炭样品2.4kg。深度活化前后炭样分别编号为AC和ACT。
用麦克公司Micromeritics ASAP 2000M型自动吸附仪测定试样的BET表面积，并用密度函数法（DFT法）数据处理软件获得试样的DFT微分孔宽分布。
炭样的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值和四氯化碳吸附率的测定分别按GB/T7702.6-1997，GB/T7702.7-1997，GB/T7702.13-1997进行。
2、结果与讨论
2.1  深度活化前后炭样分析结果
    样品的SBET、DFT法表面积、孔容积、碘值、亚甲基蓝值和四氯化碳吸附率检测数据见表1。样品DFT法孔隙宽度（以下称为孔径）～微分孔容见图1和图2。
表1  样品性能及孔结构检测结果
样号 碘吸附值  mg/g
 亚甲蓝吸附值 mg/g
CCl4吸附率 %
SBET m2/g
DFT总孔容 cm3/g
 DFT总比表面积 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径分布的变化
从图1中分别量取、分段计算深度活化前后各孔径范围的微分峰累积面积，核算各孔径区段的累积微分孔容值，处理结果见表2和表3。
关于用DFT法描述活性炭狭缝型孔结构的准确性，已被我们的研究工作证实，文献(2)(3)中已有详细论述。从表2数据可以看出，深度活化使活性炭0.5～1nm范围的微孔孔容减小了26.45%，1～50nm范围的孔隙容积增大，尤其是孔径3～4nm的过渡孔孔容增加了四倍多。可见，煤质活性炭深度活化时，扩孔速度最快的是孔径3～4nm的过渡孔，其次是孔径4～50nm之间的过渡孔。
表2  各孔径区段微分孔容积数据处理结果
孔径范围
   Nm 炭样AC 炭样ACT (△V2－△V1）/△V1×100
 微分峰面积
△S1，mm2 微分孔容积
△V1，cc/g 所占份额
     % 微分峰面积
△S2，mm2 微分孔容积
△V2，cc/g 所占份额
     %
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
总计 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  
说明：表2中△V1=0.5mm·△S1·0.0004630cc/(g·mm)，其中0.5mm为图1中微分单峰间距的一半，0.0004630cc/(g·mm)为图1中纵座标的分度平均值；
△V2=0.5mm·△S2·0.0005814cc/(g·mm)，其中0.0005814cc/(g·mm)为图2中纵座标的分度平均值。
表3  按孔隙分类法的数据统计结果
分类法 孔隙类别 孔隙直径
   nm     AC样品    ACT样品 (△V2－△V1）/△V1×100
 △V1
cc/g 所占份额
   % △V2
cc/g 所占份额
   %
杜比宁
分类法 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
 过渡孔 3.0～400 0.0628 13.25 0.2575 31.53 310.03
IUPAC
分类法 微孔 <2.0 0.3129 66.00 0.3002 36.76 －4.06
 过渡孔 2.0～50 0.1612 34.00 0.5165 63.24 220.41
    由表3得知，不论采用哪种活性炭孔隙分类方法，得到的结论都是相同的——深度活化可使煤质活性炭的过渡孔得以明显发展。在以下的讨论中，孔隙分类仍采用习惯分类即杜比宁分类法。
2.3  活性炭对碘、亚甲蓝和四氯化碳的有效吸附孔范围
在活性炭生产中，我们常通过测试产品对碘和亚甲蓝的吸附值来评价该产品的液相吸附能力；通过测试产品对四氯化碳（或苯）蒸气的吸附率来评价该产品的气相吸附能力。
前面已提到，活性炭对特定吸附质的最小有效吸附孔径与该吸附质的临界分子直径相当。有效吸附孔径的上限值如何确定？已有文献(4)指出，特定吸附质在活性炭孔隙中的最大吸持量等于该吸附质在有效吸附孔隙中的充填体积，亦即等于有效吸附孔的累积微分孔容值。故可认为：
(△V2－△V1）/△V1=(α2－α1）/α1即有：△V2/△V1=α2/α1
其中α1和α2分别为深度活化前后吸附质在活性炭中的吸附量。
根据上述推论，可采用如下方法确定活性炭对某吸附质的有效吸附孔的孔径上限：查找该吸附质的临界分子直径数据，确定有效吸附孔的孔径下限；从该下限值所对应的DFT图微分孔容积峰开始，逐峰累积峰面积并换算成△V1和△V2，当△V2/△V1比值与α2/α1比值相当时，△V1和△V2所对应的孔径即为有效吸附孔的孔径上限值。巩义市亿洋净水材料厂电话：0371-69599709
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