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粉状活性炭已成为去除水中有机物最成熟有效的方法

来源:巩义市国清净水材料有限公司 | 发布时间:2012/10/30 |

 活性炭已被广泛应用于水的常规处理和深度处理中。由于活性炭自身的物理特性---超强的吸附能力,决定了它可以用来吸附水中的难闻的味道,余氯,脱色等。它已成为去除水中有机污染物的最成熟最有效的方法之一。我国清华大学的研究发现活性炭对水中氯化产生的致突变物质亦有去除作用。
    然而活性炭在水处理,特别是用于饮用水深度处理的净水机中,也存在着无法解决的问题,即活性炭介质的自身污染问题。它就像一个超级的海绵,在吸附大量的有毒有害污染物的同时,在它的微孔中会繁殖大量的细菌。实验表明,当活性炭过滤器使用到一定时间,活性炭吸附到了大量的有机污染物,而具有杀菌作用的余氯又不存在,此时微生物极易繁殖;有机物在微生物的作用下于活性炭的界面上发生分解,使有机氮逐步分解为蛋白氮、氨氮、亚硝酸盐氮,使得活性炭过滤器的出水中亚硝酸盐含量增加。这样不但达不到净化水质的目的,反而会污染水质。
    活性炭吸附法及其组合工艺在原水、饮用水净化中的应用十分广泛,粉状活性炭在原水、饮用水净化过程中的法用主要有如下三种方式:①在常规水处理工艺中投加粉状活性炭;②粉状活性炭悬浮床吸附过滤技术;③粉状活性炭一硅藻土过滤联用技术。
    粉状活性炭在常规水处理工艺(指混凝一沉淀一过滤)中的应用历史很久。这种投加粉状活性炭的方法投资省,但粉状活性炭投加不当,往往使吸附能力得不到充分发挥,其技术关键是:
  a、优选活性炭种类。需要通过静态试验、并经技术经济对比后选定活性炭。
  b、优选粉状活性炭投加点。最佳投加点的选定原则应是将其与混凝竞争降至最低程度、被絮凝体包裹少和具有足够的炭水接触时间。通常,在取水口处投加,炭水混合接触时间虽充分,但与混凝竞争,从而增加粉状活性炭的吸附和使用量;在快速混合前或絮凝过程中投加,有可能形成絮凝体对粉状活性炭的包裹;在滤池前投加,虽不存在严重缺点,但粉末活性炭易漏失至清水池或配水系统中,且易堵塞滤料层。因此,粉状活性炭的最佳投加点一般要根据县体情况、并通过试验加以确定。
  c、粉状活性炭在水中的均匀分散性。这会直接影响吸附效果若粉状活性炭不采用特殊方法投加,尽管与被处理水达到均匀混合,但自身往往产生团聚现象,从而影响吸附效果。
常规水处理粉状活性炭的投加量及活性炭的吸附量
    在常规水处理中投加粉状活性炭,粉状活性炭的吸附容量往往不能充分发挥。针对这一问题,在粉状活性炭应用技术开发方面,已有了一些有益尝试。采用高浓度的炭液接触和延长粉状活性炭在设备中的停留时间来提高粉末活性炭吸附量是近年来新的研究课题,可称这种工艺为“粉末活性炭累积吸附工艺”。
    两相介面上,一相中的物质或溶解在其中的溶质向另一相转移和积聚,使两相中物质浓度发生变化的过程称为吸附过程,既可以发生在液固介面,也可以发生在气固介面上。能够将其他物相中的某一组分有选择性地富集到自身表面的物质称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。所谓介面,通俗地讲也就是表面,因此,吸附其实可以看成一种表面现象,吸附剂的吸附性能与其表面特性有密切的关系。例如比表面积。比表面积越大,吸附能力越强,通常比表面积随物质多孔性的增大而增大。
    典型的吸附分离过程包含四个步骤:首先,将待分离的料液(或气体)通入吸附剂中;其次,吸附质被吸附到吸附剂表面,此时吸附是有选择性的;第
三,料液流出;第四,吸附质解吸回收后,将吸附剂再生。
   根据吸附剂与吸附质之间存在的吸附力性质的不同,可将吸附分为成物理吸附、化学吸附和交换吸附三种类型。
二、活性炭的制造
活性炭作为一种价廉易得的固体吸附剂,在实际生产生活中均得到广泛应用。
活性炭是用含碳为主的物质,如煤、木屑、果壳以及含碱的有机废渣等作原料,经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。其制造过程大致分为三步:
    1、干燥:原料在120~130℃情况下脱水。
    2.炭化:加热温度在170℃以上时,原料中有机物开始分解,到400~600℃时炭化分解完毕。
    3、活化:原料中的有机物炭化后,残图在炭基本结构的微孔中,使微孔堵塞。在高温条件下通入活化气,在缺氧情况下使残留炭发生水煤气反应,使微孔扩大,得到多孔结构的活性炭。
    三、活性炭的分类
    由于原料来源、制造方法、外观形状和应用场合不同,活性炭的种类(品种)很多,到目前为止尚无精确的统计材料,估计世界上活性炭品种不下千种。
    1.按原料来源分
    1.1木质活性炭
    木质活性炭是指由木材、农作物秸杆、竹材及其加工废弃物和果壳为原料制造的活性炭产品。
    1.2 兽骨、血炭
    利用兽骨、血为原料,按照一定方法制成的炭(有的含碳量只有百分之十几)也具有不差的吸附性能,严格意义上来说这种产品不能算作活性炭。但人们往往也习惯把它称作活性炭。
    1.3 矿物质原料活性炭
    这一类活性炭主要是指由各种煤和石油及其加工产物(包括煤焦油、煤沥青、煤半焦、石油烃类、石油渣油、石油沥表、石油焦等)为原料制成的活性炭。
    1.4 其它原料的活性炭
    为了科学研究和特殊用途的需要以及扩大活性炭原料来源,也可以用合成树酯、废橡胶、废塑料、生活和工业垃圾中的有机物等为原料制造活性炭。
现在还有用金属碳化物为原料,将金属除去而制造中孔特别发达的活性炭。
    1.5 再生活性炭
    为了充分利用资源,许多在不同场合对已经使用过且已失去吸附活性炭经过不同方法的加工又恢复了全部或部分吸附性能,进行重复使用。使失去吸附性能的活性炭复吸附活性的过程叫活性炭再生,经过再生过程加工的活性炭叫再生活性炭。再生方法有热再生、化学洗脱、溶剂萃取再生、生物再生等。
    2.按活化控制方法分
    2.1 化学法活性炭(化学炭)
    将含碳原料与某些化学药品混合后进行热处理,制取活性炭的方法叫化学法。用化学法生产的活性炭又称为化学法活性炭或化学炭。
    可以作为化学法的化学药品又称作活化剂,活化剂有氯化锌、氯化钙、碳酸钾、磷酸、磷酸二氢钾、硫化钾、硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠、硼酸等,总之许多酸、碱、盐都可以用作活化剂,主要从活性炭的性能和经济性来考虑采用何种活化剂。
    一般说来,化学炭的孔隙中次微孔、中孔(即孔直径或孔宽大于1.5纳米的孔隙)较发达,主要用于液相吸附精制和溶剂回收的气相(蒸汽)吸附场合。化学法制造活性炭由于加入了化学药品在制造过程中应当极其重视环境保护以及产品中可能存在微量非原料带入的元素的影响问题。
    2.2 物理法活性炭
    以炭为原料,用水蒸汽、二氧化碳、空气(主要是氧)或它们的混合物(烟道气)为活化介质,在高温下(600~1000℃)进行活化制取活性炭的方法叫物理法。物理法制造的活性炭叫物理法活性炭,也称作物理炭。
    一般说来物理炭的微孔(孔直径或孔宽小于1.5纳米的孔隙)发达,主要用于气相吸附场合或小分子液相吸附场合。
    2.3 化学--物理法或物理--化学法活性炭
    在了解化学炭和物理炭的同时,还应当提及化学--物理法或物理--化学法活性炭。选用不同的原料和采用不同的化学法与物理法的组合可以对活性炭的孔隙结构进行调控,从而制取许多性能不同的活性炭。这种化学--物理法或物理--化学法是许多年来及今后相当长时期内,世界各国活性炭工作者非常关注的活性炭制取方法。
    3.按外观形状分
    3.1 粉状活性炭
    一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于0.175mm的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。粉状炭在使用时有吸附速度较快,吸附能力使用充分等优点,但需专有的分离方法。随着分离技术的进步和某些应用要求的出现,粉状炭的粒度有越来越细化的倾向,有的场合已达到微米甚至纳米级。
    3.2 颗粒活性炭
    通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活性炭。颗料活性炭又分为下列几种:
    3.2.1 不定型颗料活性炭
    不定型颗料活性炭一般由颗料状原料经炭化、活化,然后破碎筛分至需要粒度制成,也可以用粉状活性炭加入适当的粘结剂经适当加工而成。
    3.2.2 园柱形活性炭
    园柱形活性炭又称柱状炭,一般由粉状原料和粘结剂经混捏、挤压成型再经炭化、活化等工序制成。也可以用粉状活性炭加粘结剂挤压成型。柱状炭又有实心和中空之分,中空柱状炭是柱状炭内有人造的一个或若干个有规则的小孔。
    3.2.3 球形活性炭
    球形活性炭故名思义是园球形的活性炭,它的制取方法与柱状炭类似,但有成球过程。也可以用液态含碳原料经喷雾造粒、氧化、炭化、活化制成,还可以用粉状活性炭加粘结剂成球加工而成。球形活性炭也有实心和空心球形活性炭之分。
    3.3 其它形状的活性炭
    除了粉状活性炭和颗粒活性炭两大类外,还有其他形状的,如活性炭纤维、活性炭纤维毯、活性炭布、蜂窝状活性炭、活性炭板等等。
    4.按应用场合分
    前面已提及活性炭广泛应用于几乎所有国民经济部门和人们的日常生活,正因为如此,按活性炭应用场合进行分类是很困难的,问题在于同一种活性炭可以应用于多种场合,而某种场合又可以用多种活性炭达到相同的目的。人们往往是由应用来获得对活性炭的认识的,所以往往在活性炭词语前冠以×××活性炭,这也成为约定俗成的活性炭的模糊分类方法,如糖用活性炭、针剂活性炭、味精活性炭、净水活性炭等等。
四、活性炭的特性
活性炭在制造过程中,挥发性有机物去除后,晶格间生成的空隙形成许多形状和大小不同的细孔。这些细孔壁的总表面积(即比表面积)一般高达500~1700m2/g,这就是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。
    细孔构造随原料、活化方法、活化条件不同而异,一般可以根据细孔半径的大小分为3种:1、大微孔:半径1000~100000?;2、过渡孔:20~2000 ?;3、小微孔:约20 ?。
一般来说,以煤为原料制造的活性炭通常采用以水蒸气或二氧化碳气体为介质的物理法活化,产品的形状以颗粒状为主,其孔径分布以微孔居多,更适合于吸附液相和气相中分子量和分子直径较小的物质,吸附性能指标通常以亚甲蓝吸附值和碘吸附值表示。
    以木屑为原料制造的活性炭通常采取化学法活化,产品的形状以粉状为主,其孔径分布可通过调节化学活化剂的配比来进行控制,比较灵活,既可以制造出孔径分布以微孔居多的产品,也可制造出孔径分布中孔(过渡孔)占较大比例的产品,其中后者比较适合于吸附液相中分子量和分子直径较大的物质,吸附性能指标以焦糖脱色率表示。
    以果壳类为原料制造的活性炭通常采取以水蒸气或二氧化碳气体为介质的物理法活化,产品的形状以颗粒状为主,由于其特殊材质的因素,其孔径分布介于上述两类活性炭之间,因此其应用范围更为广泛,缺点是受国内原材料的限制,成品较高。
    五、活性炭的性能指标
活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、化学性能指标、吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。
    主要物理性能指标有:形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。
主要化学性能指标有:PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。
    主要吸附性能指标有:亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。
    六、活性炭的吸附原理
    活性炭的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附主要发生在活性炭去除液相和气相中杂质的过程中。活性炭的多孔结构提供了大量的表面积,从而使其非常容易达到吸收收集杂质的目的。就象磁力一样,所有的分子之间都具有相互引力。正因为如此,活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力,从而达到将介质中的杂质吸引到孔径中的目的。必须指出的是,这些被吸附的杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径,这样才可可能保证杂质被吸收到孔径中。这也就是为什么我们通过不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔径结构的活性炭,从而适用于各种杂质吸收的应用。
除了物理吸附之外,化学反应也经常发生在活性炭的表面。活性炭不仅含碳,而且在其表面含有少量的化学结合、功能团形式的氧和氢,例如羧基、羟基、酚类、内脂类、醌类、醚类等。这些表面上含有地氧化物或络合物可以与被吸附的物质发生化学反应,从而与被吸附物质结合聚集到活性炭的表面。


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