摘要：在大量資料的基礎(chǔ)上介紹了活性炭在水處理中的應(yīng)用、吸附機(jī)理、吸附方法以及活性炭水處理法在中國(guó)的應(yīng)用前景，指出今后對(duì)活性炭的吸附機(jī)理應(yīng)深入進(jìn)行研究。
0 引言
現(xiàn)代工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，其中水質(zhì)污染是較大的污染之一。由于水資源的缺乏人們已對(duì)水資源的利用及其水質(zhì)提出了越來越高的要求。活性炭作為一種良好的吸附劑，因具有巨大的表面積和化學(xué)穩(wěn)定性而使其在世界各國(guó)的環(huán)保領(lǐng)域大顯身手，其中較重要的應(yīng)用是在水處理方面。在諸多方法中，活性炭迄今為止仍是經(jīng)濟(jì)和有效的方法�；钚蕴课阶鳛橐粋�(gè)操作單元在廢水處理的流程中可以是物化處理的一部分，也可用作三級(jí)處理或深度處理。總之，活性炭水處理技術(shù)在處理各種廢水特別是水的深度凈化中越來越受到人們的重視。
1 活性炭的吸附機(jī)理
目前，對(duì)于活性炭吸附液相的吸附機(jī)理的研究大部分還是停留在活性炭對(duì)有機(jī)液相的吸附上。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者普遍認(rèn)為，就活性炭本身而言，其吸附性能主要是活性炭孔隙的物理結(jié)構(gòu)和孔表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)。對(duì)氣相吸附活性炭的孔形態(tài)（表面孔和孔徑分布）是主要參數(shù)；而液相吸附炭表面的化學(xué)特性對(duì)吸附性能則產(chǎn)生顯著影響。活性炭是由類似石墨的碳微晶按“螺層形結(jié)構(gòu)”排列，由微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大了許多大小不同的孔隙，孔隙表面上部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整加之灰分和其它雜原子的存在使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)。使氧和其它雜原子吸著于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。對(duì)活性炭產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)。
安部等人在測(cè)定了許多種有代表性的有機(jī)化合物的吸附數(shù)據(jù)，同時(shí)利用其他研究者已發(fā)表的一些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了吸附過程中焓的變化，并與同化合物溶解時(shí)焓的變化相比較結(jié)果指出：吸附時(shí)有機(jī)化合物分子的烴部從溶液中析出，但官能基部相當(dāng)程度上仍處在水臺(tái)狀態(tài)，活性炭在稀溶液中對(duì)有機(jī)化臺(tái)物的吸附性，主要取決于吸附質(zhì)分子的大小和官能基的多少，可以根據(jù)該物質(zhì)的分子折射值和官能基的數(shù)目或者根據(jù)構(gòu)成分子的種類和原子數(shù)來推算吸附量。也有人推測(cè)，活性炭對(duì)無機(jī)重金屬離子的吸附，主要是依靠活性炭表面官能團(tuán)和金屬離子之間的靜電吸引而進(jìn)行的。但很顯然，目前人們對(duì)吸附機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處于非常粗淺的階段，對(duì)于孔隙物理結(jié)構(gòu)形成的定量描述和化學(xué)結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理，以及對(duì)有機(jī)物，無機(jī)物吸附的本質(zhì)均有待給予深入研究。
2 活性炭水處理的應(yīng)用與發(fā)展
2.1 活性炭在水處理中的應(yīng)用
迄今為止，可查到的較早使用炭作水處理的記載源自曼特爾（Mantell）所譯的公元前約200年的梵語原文：“在陽光下，用銅制容器中保存水并經(jīng)炭過濾。”此法可以認(rèn)為早期廣為應(yīng)用的處理技術(shù)之一。銅浸碳微動(dòng)力學(xué)作用處理工藝。18世紀(jì)英國(guó)普經(jīng)用過內(nèi)部炭化的木質(zhì)容器來盛水。自1900年奧斯特雷杰科發(fā)明制造活性炭開始，1927年被認(rèn)為是活性炭應(yīng)用史上特別重要的時(shí)期。20世紀(jì)30年代初再水的凈化實(shí)踐中就已包括了從焦化廠的廢水中吸附苯酚的過程。后來由于粒狀活性炭的出現(xiàn)，活性炭在水處理方面的用量逐年增加。世界上利用活性炭處理水的主要國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)瑞典及日本。日本活性炭專家北川睦夫20世紀(jì)80年代末，就估計(jì)美國(guó)和亞歐用于水處理方面的活性炭量占液相吸附用炭量的50%左右，日本也占40%左右。從20世紀(jì)80年代后半期到20世紀(jì)90年代，活性炭在自來水方面主要用于腥嗅ABS苯酚的去除，同時(shí)為改善自來水水質(zhì)將活性炭利用于家庭用凈水器去除細(xì)菌污染也已得到普及。
由于各方面的因素，我國(guó)在20世紀(jì)60年代才開始應(yīng)用活性炭處理工業(yè)廢水。1965年沈陽自來水公司，1975年甘肅白銀有色金屬公司，1976年湖南長(zhǎng)嶺煉油廠，1986年大慶污水處理廠相繼建成了大型的活性炭吸附過濾裝置。此外，蘭州煉油廠日處理工業(yè)廢水12000t活性炭I業(yè)裝置也在進(jìn)行。但從總體上看，中國(guó)水處理還處于較低水平，造成這種現(xiàn)象的原因一是中國(guó)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)不高，二是對(duì)排水的要求更低，“以罰代治”的措施及體制的上的原因幾乎使本已較低的排放標(biāo)準(zhǔn)，處于名存實(shí)亡的尷尬境地。但活性炭水處理技術(shù)，隨著人們生活水平和環(huán)保意識(shí)的提高及國(guó)家加入WTO必將受到更大的關(guān)注。
2.2 活性炭水處理的去除對(duì)象及其應(yīng)用范圍
活性炭在水處理中主要用于：
(1)污水源的凈化
利用活性炭吸附水中有機(jī)物、ss、氮顏色除味除臭等。由于活性炭深度凈化法能有效地改善水質(zhì)。國(guó)內(nèi)外在新建地面給水廠時(shí)大都采用此法。
(2)有機(jī)工業(yè)廢水處理
由于活性炭對(duì)水中的COD、BOD等有機(jī)物具有突出的去除能力。對(duì)一些難以被生物降解的有機(jī)物更有獨(dú)特的去除效果，而被用于制革廢水處理、造紙染料化工廢水處理，焦化廢水處理及其它有機(jī)廢水處理中。
(3)無機(jī)工業(yè)廢水處理
某些吸附活性炭對(duì)于廢水中無機(jī)重金屬離子具有一定的選擇吸附能力。如顆粒狀活性炭對(duì)于Ag+、Pd2+、Cd2+、CO4-等離子的吸附去除率可達(dá)85%以上。對(duì)其它金屬離子如銻、鉍、錫、汞、鈷、鉛、鎳、鐵等均具有良好的吸附能力。另外，活性炭對(duì)水中的Cl2、Br2、I2的吸附能力也很強(qiáng)。
2.3 活性炭水處理方法
近幾十年來，在水處理技術(shù)的發(fā)展過程中，各國(guó)在探索活性炭與其它方法結(jié)臺(tái)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在改善水質(zhì)方面，聯(lián)合法處理效果顯著，彌補(bǔ)了活性炭由于再生頻繁致使廢水處理成本較高的問題，其處理方法大致有以下幾種：
(1)粉末活性炭處理（又叫生物-物理處理法，投料曝氣法或粉末曝氣氣法）
一般認(rèn)為，該法是在吸附和微生物氧化分解的協(xié)同作用下，去除污染物的活性炭的大量微孔吸附了有機(jī)物和廢水中的氧，為微生物的群體生長(zhǎng)繁殖提供了高濃度的營(yíng)養(yǎng)源，而微生物代謝過程中產(chǎn)生的酶和輔酶又被吸附和富集在活性炭微孔中加之炭上微生物和有機(jī)物接觸時(shí)間較長(zhǎng)，使難以降解的有機(jī)物也有可能經(jīng)生物氧化而分解，粉末活性炭處理法一般包括三個(gè)步驟：1)劇烈混合，使炭迅速分布在污水中；2)接觸吸附和氧化使炭懸浮在污水中進(jìn)行懸吸附和氧化；3)液-固分離將炭從污水中分離出來然后進(jìn)行再生。
此法具有以下優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定，處理效果好；提高了微生物對(duì)有機(jī)物和重金屬的抗性；活性炭能吸附表面活性物質(zhì)解決了曝氣池中的氣泡問題；產(chǎn)生了有凝聚力的炭體和微生物形成了堅(jiān)實(shí)和稠密的污泥，改善了活性污泥法的操作條件；能用于處理成分復(fù)雜，濃度和水量多變的廢水，成本低。
(2)臭氧氧化-活性炭處理法
該法是將臭氧氧化，活性炭處理二者結(jié)合起來使用的一種方法，它使得COD、BOD更易被活性炭吸附，對(duì)染料廢水的消毒、除臭，及脫色效果顯著且延長(zhǎng)了活性炭的使用壽命。
(3)活性炭吸附-生物膜處理法
活性炭吸附，生物膜處理法是利用活性炭對(duì)有機(jī)物的富集作用和對(duì)水中溶解氧的選擇吸附性，在溫度及營(yíng)養(yǎng)物適宜的條件下，使活性炭表面上生長(zhǎng)好氣微生物，將活性炭的吸附作用和微生物的分解氧化作用協(xié)同起來。采用此法，不僅可以提高廢水的處理效果，而且能夠較大幅度的延長(zhǎng)活性炭的使用壽命，同時(shí)還可以降低處理成本，簡(jiǎn)化運(yùn)轉(zhuǎn)操作管理，這是一種新近發(fā)展起來的污水處理技術(shù)。
在此三種方法中，北京第三毛線廠普采用活性炭生物膜法氧化處理染料廢水，美國(guó)新澤西州的羅卡威城1982年采用曝氣和粒狀活性炭相結(jié)合的流程，有效的去除了地下水中的有機(jī)化合物。美國(guó)杜邦（DUPON）公司使用PACT法代替顆粒狀活性炭填充床處理法該法，將粉狀活性炭處理和生物處理結(jié)合起來使用，被列為美國(guó)工業(yè)廢水處理新技術(shù)中幾個(gè)很有前途的廢水處理新技術(shù)之一。另外，在美國(guó)Cyanmid公司的處理設(shè)施中，三級(jí)處理廢水時(shí)使用顆�；钚蕴浚℅AC）。據(jù)資料報(bào)道：美國(guó)環(huán)保署（USEPA）的飲用水標(biāo)準(zhǔn)的64項(xiàng)有機(jī)污染物指標(biāo)中，有51項(xiàng)將粒狀活性炭（GAC）列為有效技術(shù)。日本利用臭氧-活性炭配臺(tái)法處理含硫廢水，法國(guó)利用活性炭-臭氧法凈化飲用水。
2.4 活性炭的再生
活性炭的廣泛應(yīng)用基于它的再生性能，所謂再生，就是使失去吸附能力的廢活性炭的性質(zhì)得到恢復(fù)，以便重新用于操作過程。用于水處理的活性炭，經(jīng)過一段時(shí)間的吸附后，由于雜質(zhì)堵塞了活性炭的孔隙，致使吸附能力逐漸下降以至完全喪失，終成為“飽和炭”。由于活性炭的價(jià)格一般較昂貴，所以吸附后的活性炭如不經(jīng)處理就廢棄必將造成離很大的資源浪費(fèi)，同時(shí)成為新的污染源。因此，從環(huán)保角度和處理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方面考慮，對(duì)吸附后的“飽和炭”進(jìn)行“再生”具有重要意義。然而，由于活性炭的非選擇性吸附，使得吸附和沉積在其表面上的雜質(zhì)成分多種多樣，帶來再生技術(shù)上的困難。對(duì)此往往根據(jù)主要吸附質(zhì)的性質(zhì)，吸附劑和吸附質(zhì)之間的吸附行為及工藝上是否方便操作來選擇適當(dāng)?shù)脑偕椒āＤ壳皣?guó)內(nèi)外采用的再生方法有：1)加熱再生法；2)藥劑再生法；3)生物再生法；4)化學(xué)再生法；5)濕式氧化再生法等。
3 結(jié)論
目前，環(huán)保問題已成為全球性問題。世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，十分重視環(huán)境污染的防治工作。我國(guó)處于迅速發(fā)展的時(shí)期，環(huán)境污染的防治也顯得日益重要。因此在環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)的情況下，人們對(duì)排放廢水和循環(huán)水的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格�；钚蕴课阶鳛橐环N較深度凈化水的方法，因具有處理效果顯著。且設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便，活性炭可以再生等優(yōu)點(diǎn)，將使其在水處理中將會(huì)有更為重要的應(yīng)用價(jià)值和更為廣泛的應(yīng)用范圍。然而，至目前為止，對(duì)活性炭處理廢水時(shí)對(duì)無機(jī)物吸附機(jī)理的研究還很少，對(duì)有機(jī)物的吸附機(jī)理也不完善，應(yīng)進(jìn)一步研究。由此我們可以預(yù)言，隨著新技術(shù)和新工藝的發(fā)明和研究的發(fā)展，必將推動(dòng)對(duì)活性炭吸附機(jī)理的探討以及活性炭品種、工藝、設(shè)備、測(cè)試等各方面的發(fā)展。