廢水處理中活性炭的現(xiàn)狀
廢水處理中活性炭的現(xiàn)狀
活性炭具有可調(diào)節(jié)的孔隙結(jié)構(gòu)，良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，可變的比表面積，以及易于功能化的可能性。這為他們提供了新的屬性，并允許他們改善專有性能。本期主要介紹活性炭如何從水中去除污染物，例如重金屬離子，染料以及有機(jī)或無機(jī)分子。首先，說明了不同活性炭的一般概述。第二部分專門介紹一些應(yīng)用，例如使用活性炭作為吸附劑。對(duì)于這些應(yīng)用而言，似乎在不同規(guī)模下使用多孔材料對(duì)于廢水處理行業(yè)來說是非常有前途的。
不同形式的活性炭
活性炭在工業(yè)中被廣泛用于各種應(yīng)用。每種應(yīng)用都需要一種類型和形式的活性炭。市場(chǎng)上比較常見的如圖1所示，并在以下小節(jié)中介紹。
圖1：活性炭的形式：(a)活性炭粉末，(b)顆粒狀活性炭，(c)擠出活性炭，(d)浸漬活性炭，(e)活性炭布。
活性炭粉
它以尺寸小于100 µm的細(xì)顆粒形式出現(xiàn)，平均孔徑在0.15和0.25 µm之間(圖1a)。它們的特征是較大的外表面和深度減小的孔。這種類型的碳通常用于分批處理液體廢水。
顆?；钚蕴?/font>
粒狀或粒狀活性炭由尺寸在0.5到10毫米之間的晶粒形成(圖1b)。這些晶粒以小孔徑，大內(nèi)表面和相對(duì)小的外表面而聞名。這種類型的碳用于處理氣體和液體流出物。
擠壓活性炭
為了制造擠出的活性炭，將碳質(zhì)原料磨細(xì);將粘合劑添加到該粉末中以獲得糊狀物，該糊狀物通過擠出裝置產(chǎn)生確定的長度和寬度的擠出物(圖1c)。然后將這些擠出物焦化并在氣流下活化。這些材料用于氣相應(yīng)用。
浸漬活性炭
活性炭也可以用試劑浸漬，以優(yōu)化其對(duì)某些分子的吸附能力(圖1d)。因此，通過這種類型的材料有助于從氣體中除去某些雜質(zhì)，而對(duì)于常規(guī)的活性炭吸附劑則是不可能的。
活性炭布
活性炭布是通過將粘膠或聚丙烯腈類型的合成前體組織碳化，然后進(jìn)行活化得到的(圖1e)。這些織物是非常多孔的材料，具有非常高的比表面積，并且微孔的分布占總孔體積的90%。這些材料因其精細(xì)應(yīng)用和催化作用而聞名。
活性炭在污水處理中的作用
長期以來，活性炭一直是工業(yè)領(lǐng)域中使用比較廣泛的材料之一，因?yàn)樗趦艋后w和過濾氣體中起著至關(guān)重要的作用。但是，活性炭的制造和使用方面的創(chuàng)新是由對(duì)自然資源的再利用和防止環(huán)境污染的需求推動(dòng)的。因此，就這些碳質(zhì)材料的制造和再生而言，在優(yōu)化這些碳質(zhì)材料方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。這已經(jīng)促使冶金，石油，食品，化學(xué)和汽車等多個(gè)行業(yè)將活性炭用于多種用途。當(dāng)前，活性炭的主要應(yīng)用在于氣相或液相中污染物的吸附過程。實(shí)際上，活性炭屬于無定形碳，經(jīng)過化學(xué)修飾，形成了多孔結(jié)構(gòu)，大部分為微孔，具有表面功能，可為活性炭提供吸附各種化學(xué)物質(zhì)的出色材料。這種吸附現(xiàn)象是由于存在范德華類型的物理力，從而導(dǎo)致界面處的被吸附物濃度高于流體中的被吸附物濃度。吸附也可能由碳表面上的活性位點(diǎn)和被吸附物之間形成的共價(jià)鍵引起，這類似于化學(xué)吸附現(xiàn)象。在廢水處理領(lǐng)域作用很大。
應(yīng)該注意的是，對(duì)活化過程的理解是優(yōu)化活性炭制備的基本步驟。實(shí)際上，各種化學(xué)，物理和物理化學(xué)方法被用于從不同的天然或合成資源合成活性炭。化學(xué)處理涉及通過浸漬然后熱解使用活化劑，而物理過程涉及在蒸氣或二氧化碳存在下的高溫?zé)崽幚怼５?，這兩種方法的組合也已用于生產(chǎn)活性炭。根據(jù)所采用的處理方法，很難預(yù)測(cè)碳的物理化學(xué)和形態(tài)特性?？磥硇螒B(tài)，物理化學(xué)，質(zhì)地，通過改變活化時(shí)間和溫度以及所用前體的性質(zhì)，活性炭的表面性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。活性炭表面的化學(xué)性質(zhì)取決于存在于表面上的雜原子的類型，例如氧，氮，硫等。這些積累在表面上的雜原子或基團(tuán)要么來自原材料本身，要么在活化過程中被引入。這在很大程度上與前體的性質(zhì)有關(guān)。所有這些特性對(duì)于使用碳作為水溶液中污染物的吸附劑具有重要意義。實(shí)際上，污染物在活性炭上的吸附是一個(gè)復(fù)雜的過程，在涉及物理作用和/或化學(xué)鍵的過程中，各種相互作用可以共存。從而，可能發(fā)生的吸附機(jī)理為靜電相互作用，氫鍵，π-π堆積相互作用，孔填充，疏水相互作用，離子交換以及其他相互作用(n-π相互作用等)和絡(luò)合反應(yīng)。圖2說明了在活性炭上吸附污染物的主要相互作用方法。
圖2：污染物與活性炭相互作用的推測(cè)機(jī)制。
活性炭多孔網(wǎng)絡(luò)通過孔填充機(jī)制促進(jìn)了污染物的吸附。受吸附劑對(duì)污染物的親和力的影響。建議使用π-π堆積相互作用來吸附含活性炭的芳環(huán)上的芳族化合物。離子和可電離化合物的吸附過程中會(huì)遇到靜電相互作用。帶正電荷的化合物將傾向于吸附在帶負(fù)電荷的碳表面上，而陰離子化合物將與帶正電荷的部位結(jié)合。這些相互作用還涉及存在于活性炭表面上的官能團(tuán)(羧酸，內(nèi)酯，酚等)與被吸附物的官能團(tuán)之間的弱相互作用力和氫鍵。實(shí)際上，碳表面上的極性基團(tuán)促進(jìn)了水的吸附，并促進(jìn)了碳與含有負(fù)電性元素的被吸附物之間的氫鍵形成。
廢水處理中活性炭的現(xiàn)狀解釋了活性炭在生物學(xué)，材料化學(xué)，能量存儲(chǔ)，電化學(xué)和廢水處理等各個(gè)領(lǐng)域中的用途。活性炭由于其化學(xué)，結(jié)構(gòu)和質(zhì)地組成的多樣性而具有吸附特性，因此被廣泛用于水處理領(lǐng)域。這些性質(zhì)與活性炭的前體和制備方法有關(guān)。我們簡(jiǎn)單了介紹幾種活性炭在廢水中的應(yīng)用，如果有什么不太了解的可以咨詢我們的技術(shù)。
本文作者：董帝豪
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