活性炭是一種多孔性含碳物質, 具有發達的微孔構造和巨大的比表面積。它包括許多種具有吸附能力的碳基物質, 能將許多化學物質吸附在其表面上。近年來, 在防治污染、保護環境方面, 活性炭技術又得到了迅速發展, 被廣泛地用于空氣凈化、煙道氣脫硫、廢水治理、廢物回收等各個領域。

1、活性炭在污水處理中的應用

難降解有機物單元的處理方法有多種: 反滲透法、化學氧化法、吸附法等, 其中, 活性炭吸附已被證明是實用、可靠而又經濟的方法。因粉末狀活性炭再生比較困難, 在實際應用中多采用粒狀活性炭。

1.1 基本原理

將溶質聚集在固體表面的作用叫吸附作用, 固體內部的分子被相同分子所包圍, 分子間的力是平衡的, 而固體表面, 分子間的力是不平衡的。這樣, 它就有足夠的強度去捕捉液體中的分子, 這種現象就叫物理吸附。活性炭與含有可溶性有機物的水接觸時, 就可以通過吸附作用將這些物質除去。

1.2 活性炭在工業廢液處理中的應用

工業廢液的種類繁多, 其中大宗的要算工業廢水。活性炭吸附, 特別是粒狀活性炭吸附, 已被證明是一種處理工業廢水的有效技術。使用時通常要采用如下必要措施: (1) 預處理。為保證活性炭發揮正常吸附性能、水中懸浮物等盡可能減少, 需要預處理。(2) 選擇合適的吸附器設計參數。選擇吸附器形狀, 確定接觸時間, 選擇適當濾速。(3)確定失效碳的再生方案。

如在泡沫塑料的原料TDI 生產中, 為了除去水中溶解的TDI, 也采用活性炭和廢水混合過濾的辦法。有時為了精制TDI, 消除TDI 中的殘渣, 也采用活性炭、硅膠等進行吸附過濾, 將殘渣除去。其工藝流程示意圖見圖1。

圖1 活性炭吸附TDI 中殘渣的工藝流程示意圖

1.3 活性炭在城市污水處理中的應用
目前, 西歐和美國等許多國家基本普及了城市污水的二級處理, 但其只能去除可生物降解的有機物,對那些難以生物降解或根本不能降解的有機物以及N、P 等營養物質, 則無能為力。為此, 發展了三級處理---物理化學處理和粉末炭 - 活性污泥法處理。

活性炭的三級處理是以去除水中的N、P 等營養物質及難以生物降解的有機物為主要目的。使用活性炭的典型三級處理流程示意圖如圖2所示。

圖2 活性炭三級處理工藝流程示意

活性炭的物理化學處理分兩步, 首先通過化學絮凝沉淀來提高一級處理對水中的懸浮物、BOD 等的去除能力, 然后再用粒狀活性炭濾床吸附除去水中的有機物。該法的優點主要是基建費低, 占地面積小, 對COD、BOD 去除率高, 并能有效去除重金屬等。其典型工藝流程示意圖如圖3 所示。

圖3 活性炭物理化學處理工藝流程示意圖

粉末炭- 活性污泥法(PACT)是在現有的活性污泥處理系統中投入粉末炭, 以提高處理能力。因微生物分泌的酶被富集到活性炭表面, 從而有效地使有機物氧化分解, 一些降解速度慢的溶解性有機物由于被活性炭所吸附, 延長了在系統中的停留時間, 因而不致穿透出系統。該法能有效消除低溫的不良影響, 大大減少池中的泡沫、改善沉淀性。其典型工藝流程示意圖如圖4所示。

圖4 粉末炭- 活性污泥法工藝流程示意圖

2、活性炭在氣體凈化上的應用

活性炭吸附在煙道氣脫硫、凈化化工廠排氣及有機溶劑氣體吸附上亦有著非常廣闊的前景, 對汞蒸汽、烴類化合物及其他有毒的臭氣都有較好的吸附性能。

2.1 活性炭在煙道氣脫硫上的應用

煉油廠、冶煉廠、鋼鐵廠、造紙廠中都有大型的燒煤、燒油鍋爐, 因此有二氧化硫氣體從煙道中排出, 對人體及環境都有很大的危害。研究排煙脫硫技術是解決大氣污染的重要途徑之一。近幾年, 日本、德國采用活性炭技術進行煙道氣脫硫, 其主要原理為: 將含有二氧化硫與氧的氣體在約100℃時通過活性炭層, 利用活性炭的表面化學性質, 使吸附在活性炭上的二氧

化硫與氧反應生成三氧化硫, 當氣體中有水蒸氣共存時與之化合, zui后作為硫酸被吸附, 反應式為:

2SO2+O2+2H2O→2H2SO4( 被吸附) 

吸附時采用的床型有固定床、移動床及流化床等。吸附在活性炭上的硫酸氣, 可以用不同的方法脫附( 如水洗、氨水洗、水蒸氣加熱) , 回收粗硫酸、石膏、硫銨、濃硫酸等有用物質。

用活性炭法進行煙道氣脫硫, 脫硫率穩定, 但該法初期活性炭的使用量大, 投資高, 炭源是個大問題。

此外, 活性炭的壽命、脫附率、脫附后的活性及易燃問題等都尚待進一步研究。

2.2 活性炭在有機氣體回收上的應用

有機溶劑在許多工業制造過程中都是*的, 這些溶劑極易揮發, 其蒸汽對人體健康有危害, 還有引起火災和爆炸的危險, 同時由于溶劑汽化, 使生產成本增加。用活性炭吸附法來回收溶劑是目前較好的方法之一, 其回收工藝比較簡單, 由吸附、解吸、干燥及冷卻四個階段組成。含有溶劑蒸汽的空氣通過活性炭層時, 溶劑蒸汽被吸附, 從吸附器內排出的幾乎是純凈的空氣。飽和的活性炭可用水蒸氣再生, 將解吸下來的溶劑蒸汽冷卻分離回收。

如在皮革化學工業中, 當制取丙烯酸酯時, 產生惡臭氣體。經分析可知, 主要為丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等, 有機物質量濃度為515mg/m3,采用可再生活性炭作吸附劑, 用蒸汽進行脫除再生,脫除氣返回鍋爐房燃燒。為防止單體在凈化過程中聚合, 同時為了延長活性炭的壽命, 在活性炭上涂覆0.001 0%~0.001 2%的抑制劑。

2.3 活性炭在有毒無機氣體凈化上的應用

活性炭對一些有毒無機氣體也有很好的吸附能力, 如氯氣、氰氫酸氣體、氟氫酸氣體等。用活性炭做成不同的催化劑對有毒氣體進行凈化, 如防毒面具。

飽和的活性炭可用加熱法進行再生, 吸附下來的有毒物質要妥善安置, 防止二次污染。

2.4 活性炭在其他方面的應用

隨著汽車行業的飛速發展, 汽車尾氣也成為大氣污染很重要的污染源, 近幾年來, 也用活性炭過濾法防止汽車汽油蒸汽的擴散。另外, 活性炭還可作為防止公共場所排出的有害氣體擴散的措施。在國外還有將它作為高層建筑內部空氣凈化的應用實例。

目前, 隨著人們環保意識的加強, 控制環境污染已成為zui大的社會需要之一, 因此必需改進并廣泛采用處理廢氣、廢液的新工藝, 活性炭作為優良吸附劑,也必將在治理污染中發揮越來越重要的作用。