工业水处理中的粉末活性炭净水技术

工业水处理中的粉末活性炭净水技术

向伟

辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司辽宁省阜新市123000

摘要：近年来，国家、社会对水处理的重视程度越来越高，为可持续发展的经济利益，必需提升工业水处理的质量。在长远的发展道路上，有限的水资源不断被浪费和破坏，然后不断探究水处理的技术将对自身乃至全球在循环利用项目上带来重要意义。粉末活性炭以其自身的优点，在国内外的工业水处理方面得到广泛应用，因此探究粉末活性炭的水处理工艺是技术人员永恒不变的课题。鉴于此，本文对工业水处理中粉末活性炭净水的处理技术进行了分析探讨。

关键词：粉末活性炭；工业水处理；净化；吸附

一、活性炭的基本性质

活性炭是一种多孔径的炭化物，有极丰富的孔隙构造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用藉物理及化学的吸咐力而成的，其外观色泽呈黑色。其成份除了主要的碳以外，还包含了少量的氢、氮、氧，其分子结构形似一个六边形，由于不规则的六边形结构，确定了其多体枳及高表面积的特点，比表面积高达1000～3000m2/g。

1、孔结构特性

活性炭材料的结构比较特殊，从晶体学角度看，由石墨微晶和碳氢化合物组成，属于非结晶性物质。其固体部分之间的间隙形成了活性炭材料的孔隙，赋予活性炭材料特有的吸附性能。按照孔径的大小可分为微孔（直径＜2nm）、中孔（直径2～50nm）和大孔（直径＞50nm）。微孔具有很强的吸附作用，主要是其具有很大的比表面积；中孔，又叫中间孔，能用于添载触媒及化学药品脱臭；大孔通过微生物及菌类在其中繁殖，就可以使无机的碳材料发挥生物质的功能。

2、表面化学特性

活性炭的吸附性能不仅取决于其物理结构，更取决于其表面化学性质。表面化学特性一般与活性炭的原材料、表面官能团的种类与数量、表面杂原子、化合物的种类与状态等因素有关，不同的表面官能团、杂原子、化合物会影响活性炭的表面酸碱性、亲疏水性、催化性能、表面润湿性、吸附选择性能等。研究活性炭材料表面的含氧官能团的表征手段时，指出活性炭材料表面可能存在下面几种含氧官能团：羰基、酸酐、乳醇基、羧基、醌基、醚基、内酯基、酚羟基。

二、活性炭的吸附作用

如今工业生产活动对水的污染严重，为解决水质污染问题，必须经过多道工序对水进行去污处理。活性炭种类繁多，不同的活性炭的吸附能力和吸附物质也更有不同。从90年代初期一直到现在，人们应用活性炭净水主要是为了去除水中的三卤甲烷和少量的有机污染物。[1]因为过量的三卤甲烷能刺激人体细胞使其变异从而发生癌变，所以在对饮用水进行净化时必须去除三卤甲烷。通常，净水厂会使用二氧化氯对三卤甲烷进行处理，但这一方法不仅成本高而且存在安全隐患，因此在对饮用水进行消毒之前，一般先用活性炭去污，吸附水中的三卤甲烷。

活性炭很强的吸污去污能力，它的净水作用主要表现在以下几个方面：（1）活性炭具有除臭作用，它能除去水中石油、酚等物质产生异味，并对这些物质有一定的吸附作用。（2）活性炭具有去色作用，它能除去水中由金属或者植物分解而成的物质的颜色，并且能降低有机物颜色的色度，从而除去水中的杂色。（3）活性炭有能够去除水中的三卤甲烷。被工业污水污染的水中会含有一定数量的三卤甲烷，它对人体的安全健康危害很大，活性炭可以有效吸附三卤甲烷。（4）去除农药等有机污染物。目前，水质被污染的元凶就是各类有机物如杀虫剂、芳香族化合物，这类物质不能被水中的生物消化而对水质造成污染。（5）除去水中的重金属成分。重金属含量过高会导致人体中毒，例如汞、铅，严重的还能致人死亡。

三、粉末活性炭净水技术

1、概述

粉末活性炭利用自身的吸附能力对于化学、气味等有机物有着吸附作用，粉末活性炭的吸附容量大、效率高、效果好，在颗粒相互碰撞的作用下，更提升了其吸附作用和容量的增加。利用粉末活性炭的吸附作用对水体中的溶解性有机物含量降低，去除物质中的异味，是生产加工工艺简单但十分有效的净化材料。

粉末活性炭在发挥其吸附作用时是一个极其复杂的过程，是由多种作用力共同发挥产生的效果。分子间的作用力是运动不息的，在分析分子间的作用力可以得知当一个分子被吸附到活性炭的孔隙中后，其他的分子由于运动不止会随之被吸附进去，并且分子组成的物质结构会持续不断的被活性炭吸收。

2、粉末活性炭的技术要点

在活性炭的选择上，要选择最佳的炭种。活性炭分为煤质活性炭、果壳活性炭、木质活性炭三类，不同类型的活性炭的特性也不同，要根据实地的供货情况及水质处理需要选择合适的类型。通过反复实践得出结论，煤质活性炭的经济性较高，木质活性炭的处理效果最好。颗粒体积更小的粉末活性炭在相同总体积下因其外表面积最大，也就是说可吸附面更大，提高了活性炭的利用率也提升了吸附速率。

四、粉末活性炭的净水原理

粉末活性炭的吸附作用原理较为复杂，其吸附效果会受到多种作用力的影响，其中，分子之间的相互作用力是影响活性炭吸附能力的关键性因素。物质结构内部的分子之间还会出现相互吸附的关系，任何一个分子被吸附到活性炭内部，都会导致其他分子被持续性地吸入到活性炭的孔隙之中，从而形成一种活性炭持续吸附物质结构的形态。由活性炭吸附双速率扩散理论可知，活性炭的吸附作用包括迅速扩散过程和缓慢扩散过程两个双速过程阶段。从迅速扩散过程来看，指的是水中的被吸收分子由活性炭颗粒内沿向阻力较小的碳粒孔隙中运动的过程，由于活性炭具有较高的孔隙，因而扩散阻力相对较大，在溶质分子向活性炭微孔中扩散时，由于孔隙相对狭小，因而阻力更加明显，这就会降低扩散的速度。粉末活性炭是一种主要内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类吸附剂，它的微孔结构发达，具有很强的吸附性能!活性炭是由许多石墨型层状结构的微晶不规则集合而成，由于活性炭颗粒结构小，微孔结构很多，因而具有很大的内表面积，在对于色度"味"化学有机物等的吸附作用上，不仅吸收速度快，而且吸收容量大，效果好。在加上活性炭颗粒之间的碰撞作用，就更加有利于其吸附作用的发挥，促进了吸附容量的增加。运用粉末活性炭吸附作用处理水，能降低水体中的溶解性有机物含量，同时粉末活性炭也能去除异味物质，并且生产方便。

五、活性炭性质的影响

1、孔径大小

吸附剂的孔隙大小不仅影响其吸附速度，而且还直接影响吸附量的大小。若孔径太大则比表面强烈降低，从而对溶质的吸附量也会急剧减少。若活性炭的孔径太小，则会几乎完全不吸附某些溶质；为了选择合适孔径的吸附剂时，溶质分子的临界大小应在吸附剂的孔径范围内。

2、表面化学官能团

影响吸附的最主要的因素是活性炭本身的性质，其中最重要的表面官能团，它作为活性中心支配了活性炭的表面化学性质，对吸附起着关键性的作用。活性炭的表面官能团主要包括羧基、羟基、酚羟基、氢醌基、酯基、酮基、醛基、醌基等。通过硝酸改性对活性炭吸附的研究表明吸附速率主要受微孔结构限制，而最大吸附量与表面酸性官能团和微孔结构都相关。研究了活性炭对苯酚的吸附能力与活性炭的总酸度不存在规律性的关系，但和活性炭表面上的羧基和酚羟基数量密切相关，活性炭的羧基和酚羟基数量减少，对苯酚的吸附量增加，反之亦然，羧基和酚羟基数量增加，对苯酚的吸附量减少。

发现采用表面化学氧化法和负载金属的方法使活性炭表面化学性质发生改变，根据某一种有机硫化物的特性，有针对性地选择不同的负载金属氧化物的种类，会取得良好的吸附效果。其中负载Fe3+的活性炭对汽油中难脱除的有机硫化物噻吩类硫化物表现出较好的吸附能力，对苯并噻吩的脱除率达到了85.1%。采用辅助通入臭氧、金属盐浸渍改性等途径进行活性炭吸附净化低浓度VOCS增强效果的研究，探索了上述措施对活性炭吸附净化较低浓度有机物的强化作用。研究发现活性炭联合H2O2处理青霉素效果优于单纯使用活性炭。黄红梅采用浸渍－微波法制备载铁活性炭。研究结果发现，载铁活性炭对大分子天然有机物、难降解有机物双酚A及草甘膦的饱和吸附量及吸附速率均有不同程度增加，吸附能力增强。

六、粉末活性炭在工业水处理中的应用

1、现状

随着经济的发展，工业化进程的不断加速，大量的工业废水的产生和排放，对自然资源的污染破坏日趋加剧，使得人们对水资源的保护重视起来，对污水的处理更加投入精力研究。在目前，粉末活性炭净化处理技术应用的最为广泛，通过大量的技术实践总结，粉末活性炭净化处理技术得到了更多的认可，成为被普遍接受的水处理方式。然而粉末活性炭以其投资小、价格低廉、处理效果好得到了普遍的认可，但在实际应用中还没有得到充分的普及，在将来必然有更广泛的推广空间。

2、发展趋势

为降低成本，确保经济利益的合理化，在处理严重的污染水质时必须加大粉末活性炭的投加量，势必造成成本的上升。因此提升活性炭的吸附效率、吸附容量、吸附利用率技术上进一步进行改进，同时实现粉末活性炭的重复利用也是将来的技术课题。只有通过不断的技术实践，才能使粉末活性炭在工业水处理上发挥更大作用。

3、粉末活性炭技术在工业水处理中的应用

在以上篇幅中，我们已经了解到粉末活性炭技术的原理及技术要点，但是其在实际生活中是如何应用的，本节内容将对该技术在工业水处理中的应用方法做详细介绍。

在煤质、木质、果壳三类活性炭材质中，要针对工业水净化的水质成分去合理选择活性炭类型。考虑的主要依据是活性炭净化的效果和经济效益基础，分析工业排水中的水质成分状态，针对不同的水质污染情况来选择合适的活性炭类型，才能最大程度的节省成本发挥净化效果。在实际应用中应考虑以下几点问题：

3.1投加点的选择

选择投加点的原则是尽量能让活性炭有充足的时间接触工业水，尽可能的让粉末活性炭充分吸附溶质分子。除此之外，还要考虑到投加点是否可以搅拌，较好的搅拌条件可以让溶质充分搅拌以利于粉末活性炭的吸附效率加快，并使活性炭更充分的与工业水相接触更大限度的吸附溶质物质。同时还要考虑到混凝剂与粉末活性炭投加的距离，避免相互间的竞争吸附。不同的工业水质决定了粉末活性炭的投加点的不同，所以，应结合水质来合理选择投加点。

在投加粉末活性炭和混凝剂时，需要对两者之间投加的距离进行适当控制，防止两者之间出现竞争性吸附。不同的粉末活性炭投加点，其对于不同水质所产生的吸附效果也存在较大差异。在确定粉末活性炭的投加点时，需要对该点能否符合充分搅拌要求进行考虑，这样一方面能够提高活性炭的吸附效率，另一方面还有助于工业废水与活性炭的最大限度接触，从而提高溶质物质的吸附效果。

3.2投加量的确定

需处理的工业水污染程度决定了粉末活性炭的投加量，从日常的实践中看出，投加量很难做到十分精确，当然也不需要达到相当精确的要求。通过实验得出，投加量要达到较好的效果一般在达到30mg/L的含量，当然投加量与污染物的去除率成正比，就是说投加量增加，污染物的去除率也增加。然而在确保污染物的去除率的基础上也要兼顾经济性，所以可以通过搅拌实验来确定投加量，从而确保投加量的经济合理性。

通过无数实验，我们可以发现，在色度的去除功能上粉末活性炭表现较好，色度低说明去除金属离子和有机物的能力强。粉末活性炭与混凝剂投加的时间差较大，因而相互不会造成较大的影响，粉末活性炭则可以将吸附能力充分发挥。在去除臭味的功能上粉末活性炭也表现较好，在工业水处理方式上，也普遍采用粉末活性炭去除阴离子洗涤剂。当然粉末活性炭也不可投加过量，水中活性炭的含量过高，对让微小炭粒穿透滤池，对水浊度带来影响，因此要严格控制滤速和滤池出水浊度。

工业废水粉末活性炭投放量的增加，有助于污染物质去除率的提高，只有投放量超过30mg/L时，才能够达到最为理想的吸附效果。工业水处理中粉末活性炭投放量的确定原则为：第一，粉末活性炭投加量需要在考虑经济效益的同时，保证其上限不能穿透滤池。第二，投加量下限的确定原则为滤后相关指标达到国际标准。在处理工业水时，若粉末活性炭投放量不足，虽然避免了浪费提高了吸附效率，但却无法保证彻底有效地吸附工业水中的污染物质。相反，若粉末活性炭投放量过多，则会造成活性炭浪费现象，增加水处理的成本。

3.3选择合适的净水工艺

在用活性炭净水时，必须选择合适的活性炭投入时间和投入量，以保证达到最好的净水效果。①投放活性炭后，要对污水进行充分的搅拌，使活性炭和水能够迅速接触。②要尽可能将活性炭和水的混合时间控制在合理范围内。既能使水完全净化，又不会对其他净水剂干扰。③尽量选用表面积大、体积小的活性炭。这样可以使同等重量的活性炭发挥最大的吸附功能；选取空隙丰富的木质活性炭，以最大限度提高活性炭的吸附能力④依照活性炭投入量大小和净水条件，选择湿式或干式投入方式。

经过过程严谨的活性炭净水处理，水中的大部分有机物已经被去除，胶状物质的含量也大幅度降低。经过一定的处理，活性炭还能被循环利用进行污水净化工作。

七、讨论

实践研究结果证实，投加粉末活性炭对于色度的作用效果更加理想，色度低说明金属离子和有机物的去除效果较为理想。粉末活性炭同时有助于酚类物质的去除，且去除效果较好。粉末活性炭对于阴离子洗涤剂的去除效果也较为明显，且这一吸附作用在工业水处理中也得到了广泛的应用。

原有的工业水处理技术通常仅仅是将水中的细菌、胶体杂质和悬浮物去除，而随着近年来水源水质有机物污染严重程度的加深，污染水体中胶体颗粒的表面特性也发生了一定的改变，进而影响混凝效果，降低水体中溶解状体微量有机物的吸附能力。而粉末活性炭则能够有效去除水中合成有机物、氯化有机物、色度和味道，这也正是粉末活性炭在工业水处理中得到广泛应用的主要原因，能够有效避免传统水处理技术存在的种种缺陷。同时，粉末活性炭的投放方式也相对较为简便，吸附循环时间较短，相应的经济成本也就更低，所以，需要从工业水的实际污染程度和类型出发，对粉末活性炭的类型进行选择。

结束语

粉末活性炭净水技术作为人们在工业水处理中的一项重要的应用，使人们孜孜不倦的致力于该技术的应用中，本文通过介绍该技术的基本理论，最终讨论出最合理的应用方法，从而为人们在该技术的探索道路上指明方向。若想要提升工业水处理的技术以及水的质量，必须对粉末活性炭净水工艺的主要技术和关键问题着重分析。在对处理前后的工业水进行检测分析之后，得出水质数据，来证明水中的有害成分消除情况。希望我国能够通过粉末活性炭在净水技术上的不断提升，在工业水处理的应用上得到更大的推广。

参考文献：

[1]潘启宁.微污染水源水厂水质提升改造技术应用研究[D].南昌大学，2014.

[2]杨琳娜.家用活性炭净水器对饮用水中有机物深度净化性能研究[D].上海师范大学，2014.

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[5]宋必伟.活性炭滤池—超滤联用对引黄水库水深度处理试验研究[D].哈尔滨工业大学，2014.