活性炭是一种多孔性含碳物质, 具有发达的微孔构造和巨大的比表面积。它包括许多种具有吸附能力的碳基物质, 能将许多化学物质吸附在其表面上。近年来, 在防治污染、保护环境方面, 活性炭技术又得到了迅速发展, 被广泛地用于空气净化、烟道气脱硫、废水治理、废物回收等各个领域。

1、活性炭在污水处理中的应用

难降解有机物单元的处理方法有多种: 反渗透法、化学氧化法、吸附法等, 其中, 活性炭吸附已被证明是实用、可靠而又经济的方法。因粉末状活性炭再生比较困难, 在实际应用中多采用粒状活性炭。

1.1 基本原理

将溶质聚集在固体表面的作用叫吸附作用, 固体内部的分子被相同分子所包围, 分子间的力是平衡的, 而固体表面, 分子间的力是不平衡的。这样, 它就有足够的强度去捕捉液体中的分子, 这种现象就叫物理吸附。活性炭与含有可溶性有机物的水接触时, 就可以通过吸附作用将这些物质除去。

1.2 活性炭在工业废液处理中的应用

工业废液的种类繁多, 其中大宗的要算工业废水。活性炭吸附, 特别是粒状活性炭吸附, 已被证明是一种处理工业废水的有效技术。使用时通常要采用如下必要措施: (1) 预处理。为保证活性炭发挥正常吸附性能、水中悬浮物等尽可能减少, 需要预处理。(2) 选择合适的吸附器设计参数。选择吸附器形状, 确定接触时间, 选择适当滤速。(3)确定失效碳的再生方案。

如在泡沫塑料的原料TDI 生产中, 为了除去水中溶解的TDI, 也采用活性炭和废水混合过滤的办法。有时为了精制TDI, 消除TDI 中的残渣, 也采用活性炭、硅胶等进行吸附过滤, 将残渣除去。其工艺流程示意图见图1。

图1 活性炭吸附TDI 中残渣的工艺流程示意图

1.3 活性炭在城市污水处理中的应用
目前, 西欧和美国等许多国家基本普及了城市污水的二级处理, 但其只能去除可生物降解的有机物,对那些难以生物降解或根本不能降解的有机物以及N、P 等营养物质, 则无能为力。为此, 发展了三级处理---物理化学处理和粉末炭 - 活性污泥法处理。

活性炭的三级处理是以去除水中的N、P 等营养物质及难以生物降解的有机物为主要目的。使用活性炭的典型三级处理流程示意图如图2所示。

图2 活性炭三级处理工艺流程示意

活性炭的物理化学处理分两步, 首先通过化学絮凝沉淀来提高一级处理对水中的悬浮物、BOD 等的去除能力, 然后再用粒状活性炭滤床吸附除去水中的有机物。该法的优点主要是基建费低, 占地面积小, 对COD、BOD 去除率高, 并能有效去除重金属等。其典型工艺流程示意图如图3 所示。

图3 活性炭物理化学处理工艺流程示意图

粉末炭- 活性污泥法(PACT)是在现有的活性污泥处理系统中投入粉末炭, 以提高处理能力。因微生物分泌的酶被富集到活性炭表面, 从而有效地使有机物氧化分解, 一些降解速度慢的溶解性有机物由于被活性炭所吸附, 延长了在系统中的停留时间, 因而不致穿透出系统。该法能有效消除低温的不良影响, 大大减少池中的泡沫、改善沉淀性。其典型工艺流程示意图如图4所示。

图4 粉末炭- 活性污泥法工艺流程示意图

2、活性炭在气体净化上的应用

活性炭吸附在烟道气脱硫、净化化工厂排气及有机溶剂气体吸附上亦有着非常广阔的前景, 对汞蒸汽、烃类化合物及其他有毒的臭气都有较好的吸附性能。

2.1 活性炭在烟道气脱硫上的应用

炼油厂、冶炼厂、钢铁厂、造纸厂中都有大型的烧煤、烧油锅炉, 因此有二氧化硫气体从烟道中排出, 对人体及环境都有很大的危害。研究排烟脱硫技术是解决大气污染的重要途径之一。近几年, 日本、德国采用活性炭技术进行烟道气脱硫, 其主要原理为: 将含有二氧化硫与氧的气体在约100℃时通过活性炭层, 利用活性炭的表面化学性质, 使吸附在活性炭上的二氧

化硫与氧反应生成三氧化硫, 当气体中有水蒸气共存时与之化合, zui后作为硫酸被吸附, 反应式为:

2SO2+O2+2H2O→2H2SO4( 被吸附) 

吸附时采用的床型有固定床、移动床及流化床等。吸附在活性炭上的硫酸气, 可以用不同的方法脱附( 如水洗、氨水洗、水蒸气加热) , 回收粗硫酸、石膏、硫铵、浓硫酸等有用物质。

用活性炭法进行烟道气脱硫, 脱硫率稳定, 但该法初期活性炭的使用量大, 投资高, 炭源是个大问题。

此外, 活性炭的寿命、脱附率、脱附后的活性及易燃问题等都尚待进一步研究。

2.2 活性炭在有机气体回收上的应用

有机溶剂在许多工业制造过程中都是*的, 这些溶剂极易挥发, 其蒸汽对人体健康有危害, 还有引起火灾和爆炸的危险, 同时由于溶剂汽化, 使生产成本增加。用活性炭吸附法来回收溶剂是目前较好的方法之一, 其回收工艺比较简单, 由吸附、解吸、干燥及冷却四个阶段组成。含有溶剂蒸汽的空气通过活性炭层时, 溶剂蒸汽被吸附, 从吸附器内排出的几乎是纯净的空气。饱和的活性炭可用水蒸气再生, 将解吸下来的溶剂蒸汽冷却分离回收。

如在皮革化学工业中, 当制取丙烯酸酯时, 产生恶臭气体。经分析可知, 主要为丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等, 有机物质量浓度为515mg/m3,采用可再生活性炭作吸附剂, 用蒸汽进行脱除再生,脱除气返回锅炉房燃烧。为防止单体在净化过程中聚合, 同时为了延长活性炭的寿命, 在活性炭上涂覆0.001 0%~0.001 2%的抑制剂。

2.3 活性炭在有毒无机气体净化上的应用

活性炭对一些有毒无机气体也有很好的吸附能力, 如氯气、氰氢酸气体、氟氢酸气体等。用活性炭做成不同的催化剂对有毒气体进行净化, 如防毒面具。

饱和的活性炭可用加热法进行再生, 吸附下来的有毒物质要妥善安置, 防止二次污染。

2.4 活性炭在其他方面的应用

随着汽车行业的飞速发展, 汽车尾气也成为大气污染很重要的污染源, 近几年来, 也用活性炭过滤法防止汽车汽油蒸汽的扩散。另外, 活性炭还可作为防止公共场所排出的有害气体扩散的措施。在国外还有将它作为高层建筑内部空气净化的应用实例。

目前, 随着人们环保意识的加强, 控制环境污染已成为zui大的社会需要之一, 因此必需改进并广泛采用处理废气、废液的新工艺, 活性炭作为优良吸附剂,也必将在治理污染中发挥越来越重要的作用。