1、活性炭
1.1 活性炭概述
活要經(jīng)過系列工藝精加工而成，所以價格高，但可以回收二次使用;活性炭纖維在纖維中填充微孔，其吸附能性炭是由有機原料通過厭氧焦化和活性碰撞形成的不規(guī)則炭。活性炭的吸附和解毒功能得益于它表面分布的許多細小孔隙和大的表面積。通常，根據(jù)外觀形態(tài)，可以分為粉末活性炭(PAC)、粒狀活性炭(GAC)、活性炭纖維(ACF)這3種。由于比表面積大，粉末活性炭有高吸附能力，同時制備原料來源廣，產(chǎn)品價格低，但回收利用非常困難;與粉末狀活性炭相比，粒狀活性炭力和吸附速率是顆粒活性炭的數(shù)十至數(shù)百倍，活性炭纖維可用于各種有機廢水的處理，去除水中的氯、苯、酚等有機物，還可以處理染料廢水使其脫色。除此之外，活性炭纖維還可以除去廢水中的金屬離子，如銀、汞等，但是，其使用僅僅是20多年，工業(yè)上的應(yīng)用尚未成熟。
活性炭具有較強的吸附能力、杰出的化學(xué)不變性、高力學(xué)強度、可再生等特性，普遍應(yīng)用于化工、環(huán)境治理、衛(wèi)生、飲食等鄰域。在當今水污染嚴重的情況下，活性炭可以有效去除水中大部分有機污染物，重金屬，氣味和顏色，具有重要的科學(xué)意義，在污水凈化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用可能性。
1.2 活性炭水處理原理
活性炭通過表面對水中雜質(zhì)的吸附來達到改善水質(zhì)的目的。根據(jù)吸附物質(zhì)與被吸附物質(zhì)之間作用力的不同可分為物理和化學(xué)吸附[3]。活性炭吸附能力的大小主要取決于孔徑的大小。孔徑的大小一般分為大中小三型，活性炭材料中多為小孔(孔隙直徑50nm為大孔)。首先，活性炭的物理吸附主要是由其自身龐大的微孔結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的，吸附的是能通過這些孔隙結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)。其次，活性炭的化學(xué)吸附是與被吸附物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成吸附共價鍵�；瘜W(xué)吸附主要受吸附物質(zhì)表面雜原子、化合物、化學(xué)官能團的數(shù)目和類型3個方面的影響。同時，這些含氧、含氮官能團本身也具備非常強的吸附性。在這兩種吸附作用的共同參與下，活性炭可以充分吸附廢水、污水當中的雜質(zhì)、污染物，實現(xiàn)較好的水處理效果。
1.3 活性炭在污水凈化中的應(yīng)用
活性炭對水處理的要求很高，活性炭的價格也很高。因此，在廢水處理廠，活性炭通過去除廢水中的微量污染物達到深度凈化的目的。
1.3.1 活性炭處理含鉻廢水
鉻是電鍍中被廣泛用作電鍍層的金屬原料。在廢水中，根據(jù)pH值的變化，C(rⅥ)會以不同的形式存在。活性炭具有高度開發(fā)的多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，物理吸附能力強，可有效吸收Cr。此外，活性炭的表層還有許多靜電離子基團，例如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等，它們也會對Cr產(chǎn)生化學(xué)吸附效應(yīng)。因此，活性炭物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)還原一起作用才可使廢水中鉻的去除效果達到最佳。馬萬征等采用靜態(tài)試驗的方法，考察了活性炭加量、酸堿度、溫度等因素對廢水中Cr去除率的影響。研究表明，當處理劑中吸附質(zhì)0.6g•L-1、pH為4、溫度為20℃時，鉻的去除率為97%。用活性炭處理廢水中的鉻，吸附性好，處理成本低效率高，有很好的社會效益。
1.3.2 活性炭處理含氰廢水
在工業(yè)生產(chǎn)中，廢水中的氰化物分為兩類，一類為無機氰(氫氰酸及其鹽類)，一類為有機氰或腈(丙烯腈等)。煤焦化、纖維生產(chǎn)、金屬電鍍和著色、礦石浮選、燃料、藥品及塑料加工等生產(chǎn)過程都會產(chǎn)生含氰廢水。長期以來，含氰廢水多用活性炭來去除。汪玲[9]等利用硫酸銅浸滯活性炭使其負載Cu2+，并考察了該活性炭對含氰廢水的處理效果。結(jié)果表明，載銅活性炭加量為12g•L-1、廢水pH值為8、吸附時間為7h時，可去除廢水中90%以上的氰。任大軍通過靜態(tài)吸附研究了活性炭纖維對含氰廢水的吸附效果。結(jié)果表明，活性炭纖維由于其具有憎水性，故對氰的吸附量不大，吸附時間較長達6h;但用10%的NaOH處理吸附飽和后的活性炭纖維可使其再生，可重復(fù)使用。隨著研究的深入，盡管活性炭對含氰廢水的處理效果越來越好，但廢水中仍有少量殘余的氰根和氰化氫，處理不徹底且成本也相對較高。
1.3.3 活性炭處理含酚廢水
在工業(yè)生產(chǎn)中，石油化工廠、樹脂廠、焦化廠及煉油化工廠皆會產(chǎn)生含酚廢水。實驗研究表明，溫度和酸堿度是影響活性炭對苯酚吸附效果的主要因素。活性炭對苯酚的吸附平衡時間會隨著溫度的升高而縮短，但溫度太高會使吸附量受損;pH值對廢水中酚的吸附效果有著明顯的影響，當pH值小于或等于7時，廢水中酚的含量變化不大;當pH值大于7后，酚的含量明顯下降，堿性過強，吸附效果也會變差。原材料種類和活化方法基本決定了活性炭的比表面積和對苯酚的吸附性能。MA等研究了活性炭原材料的種類對廢水中苯酚吸附效果的影響。結(jié)果表明，竹質(zhì)活性炭對苯酚的吸附效果好于椰殼活性炭好于煤基活性炭。
1.3.4 活性炭處理含油廢水
據(jù)資料統(tǒng)計，2017年，世界水資源受到了500~1000t石油污染，水產(chǎn)資源遭到嚴重迫害，人類健康受到極大危害。因此，很有必要處理含油廢水，保護水資源。作為一種非極性吸附劑，活性炭是最常用于凈化含油廢水的材料。與其它吸附劑相比，活性炭具有極大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，因而有好的吸油性，可去除廢水中的分散油、乳化油、溶解油及其它有機物。李裕華利用粉末活性炭對含油污水進行萃取和吸附處理，結(jié)果表明活性炭對烴類污染物的萃取率平均可達96.0%，在酸性條件下，活性炭對芳烴具有良好的吸附效果。陳曉玲通過實驗驗證了活性炭處理含油廢水的最佳條件。實驗結(jié)果表明，廢水中油的去除效果與活性炭的粒徑、添加量及酸堿度有密切的關(guān)系�；钚蕴繉τ偷奈搅侩S著加量的增加而增多;當活性炭加量一定時，粒徑越小，其對于油類及COD的去除率越高;此外，加量與粒徑相同時，中性條件下油的去除率最低，酸性條件的去除率高于堿性條件去除率。該方法的優(yōu)點是操作簡單，處理效果好，同時，可以達到回收有機物，獲得一定經(jīng)濟效益的目的;缺點是活性炭一般用作含油廢水的微量或低濃度處理，原因是其價格昂貴，再生困難，使用量受到限制。隨著研究者不斷的研發(fā)，新型吸附材料如焦炭、膨脹石墨等也可用于去除廢水中的油，并取得了較好的吸附效果，可作為活性炭的替代品。
2、改性活性炭
2.1 改性活性炭改性機理及研究現(xiàn)狀
在活性炭應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大以及多功能吸附的形勢背景下，活性炭吸附材料的需求量及性能的要求也越來越高。目前，常規(guī)活性炭已不能滿足某些特殊環(huán)境的應(yīng)用需求。因此，急需改善活性炭的性能以滿足各種環(huán)境的應(yīng)用。眾所周知，材料與外界發(fā)生作用主要依靠其表面物理化學(xué)性質(zhì)而起作用(包括電荷、化學(xué)成分、親疏水性、形態(tài)等)。因此，要想提高活性炭的吸附性能，改變活性炭材料表面物理化學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵，這將對該行業(yè)產(chǎn)生重要的學(xué)術(shù)意義和巨大的應(yīng)用前景。
為改善活性炭內(nèi)在的微孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，可以從物理、化學(xué)和物理化學(xué)聯(lián)合3個方面入手。由于聚合物結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)越性以及改性方法的多樣性，用聚合物在活性炭表面進行改性已成為改性活性炭研究的一大熱點。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者已對活性炭改性展開了研究。例如，將3-苯氧基苯甲酸原位聚合在活性炭纖維表面，可以顯著提高納米復(fù)合材料的氧化熱穩(wěn)定性，有利于提高其在污水凈化中的耐溫性。王改娟等將丙烯酰胺聚合在活性炭孔內(nèi)，制備了一種多孔聚丙烯酰胺-活性炭納米復(fù)合材料，大大增加了材料對酚類物質(zhì)的吸附量。張際亮等，分別將甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)原位聚合在活性炭孔內(nèi)，制備多孔聚合物-活性炭功能復(fù)合吸附材料，該復(fù)合材料可選擇性吸附水中的重金屬離子，并保留水中對人體有利的金屬離子和礦物質(zhì)。
2.2 改性活性炭在污水凈化中的應(yīng)用
2.2.1 去除水中有機物
去除水中有機污染物是活性炭在污水凈化領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。研究表明，在活性炭氧化還原過程中對其表面進行改性處理，使其表面載有鉑，可增強活性炭對有機酸的吸附;通過浸滯的方法使活性炭的活化能改變，大大增強了活性炭對水中苯酚的吸附效果;根據(jù)硫元素的不同物化性質(zhì)從而采用不同的方式對活性炭進行改性，可選擇性吸附不同價態(tài)的有機硫化物。由此可見，利用不同的改性措施處理活性炭可確�；钚蕴繉λ胁煌袡C物的吸附去除。
2.2.2 去除水中重金屬及離子
改性后的活性炭不僅增強了對水中有機物的去除，還可以增強其對重金屬等無機污染物的吸附能力。通常地，對粉末狀活性炭進行二次表面處理，在其表面賦予能與重金屬及重金屬離子發(fā)生反應(yīng)的官能團，如羧基、羥基、氨基，實現(xiàn)去除水中重金屬的目的。
2.2.3 去除水中其他雜質(zhì)
當活性炭氧化過程中的煅燒溫度大于800℃時，對陰離子的交換容量也會相應(yīng)地增強，實現(xiàn)對水中陰離子的去除。研究表明，通過氧化劑對活性炭中的還原官能團進行改性使其具有氧化性，可吸附水中的亞硝酸根離子;另外，經(jīng)NaOH等化學(xué)藥劑改性后的活性炭可起到常規(guī)活性炭不能去除水中殺蟲劑的功效。
3、結(jié)語與展望
近年來，活性炭在污水處理方面雖然取得了一定的成果，然而也存在許多問題。在廢水處理過程中，由于活性炭的大比表面積、生物相容性和潮濕環(huán)境，提供了細菌、真菌及其它微生物生長的環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境造成了危害。因此，如何控制細菌、真菌等微生物的繁殖是活性炭在污水處理過程中急需解決的難題。
雖然在改性活性炭方面已取得了一定成績，但該方面的研究仍處于一個起步階段，許多改性的理論及機理問題尚不明確，以致改性活性炭的吸附性能得不到進一步的提升，也制約了改性活性炭在實際生產(chǎn)的中的應(yīng)用。
綜上所述，活性炭要想在污水凈化領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用需要攻克以下幾個難點：
(1)研究開發(fā)既能抑制細菌生長又能防止細菌粘附的活性炭吸附材料。
(2)完善活性炭改性機理，研究開發(fā)簡單快捷的活性炭改性方法。
(3)應(yīng)向著智能高效方向發(fā)展，開發(fā)可選擇性吸附、高效、成本低廉的再生活性炭吸附材料。(來源：長江大學(xué) 石油工程學(xué)院)
