鄭 偉

[摘要]污水處理關(guān)系著人民生活與生命安全,因此需要進(jìn)行深入研究。對活性炭纖維的性能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并給出在污水處理中的應(yīng)用特性。

[關(guān)鍵詞]活性炭纖維水處理應(yīng)用

中圖分類號:TV22文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210156-01

一、引言

近幾十年,我國出臺了一系列水污染防治方面的法令法規(guī)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但是并沒有使水污染得到有效控制,隨著近些年氣候的異常,使得干旱地區(qū)水資源越來越匱乏,加上人為因素造成水污染的日益嚴(yán)重,導(dǎo)致部分地區(qū)處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)。因此如何防治水污染,并且如何使污染的水體進(jìn)行有效的處理是當(dāng)前的迫切任務(wù)。

二、活性炭纖維的性能與結(jié)構(gòu)

活性炭纖維(Activated Carbon Fiber,ACF)是近年來發(fā)展起來的一種新型高效吸附材料,是資源回收和環(huán)保領(lǐng)域的纖維狀吸附分離功能材料之一。

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的分類標(biāo)準(zhǔn),吸附劑的細(xì)孔分為三類:孔徑大于50nm的為大孔,2nm～50nm的為中孔,小于2nm的為微孔。碳纖維經(jīng)活化后生成的ACF外形直徑為5～30,與活性炭含有大孔、中孔和微孔不同,它的表面主要分布著大量的微孔,微孔的分布狹窄而均勻,孔徑大多數(shù)分布在0.5～1.5nm之間。由于活性炭纖維沒有大孔,只有少量的過渡孔,微孔體積占總孔體積的90%以上,從而造就了活性炭纖維較大的比表面積,多數(shù)為1000～2500m2/g。

ACF的吸附特性不但取決于它的比表面積、總孔體積、微孔體積、孔徑大小和分布,也取決于其表面的化學(xué)性質(zhì)。ACF主要由C、H、O三種元素組成,其化學(xué)性質(zhì)主要由表面的化學(xué)官能團(tuán)、雜原子和化合物確定,不同原料生產(chǎn)的ACF化學(xué)組成有差異。

ACF的結(jié)構(gòu)特征屬于非極性吸附劑,在多數(shù)情況下,比表面積和孔徑是影響吸附性能的關(guān)鍵因素。

吸附的發(fā)生是由于吸附質(zhì)分子與吸附劑表面分子發(fā)生相互作用。根據(jù)這種相互作用強(qiáng)度的大小,一般把吸附過程分為兩大類:化學(xué)吸附和物理吸附。當(dāng)相界面上存在不平衡的物理力時(shí)發(fā)生物理吸附,而當(dāng)相鄰相的原子和分子在界面形成化學(xué)鍵或準(zhǔn)化學(xué)鍵時(shí)發(fā)生化學(xué)吸附。

ACF是一種典型的微孔炭,孔隙直接開口于纖維的表面,孔徑分布窄,主要以微孔、亞微孔為主,比表面積大,吸附容量大,其表面大量的不飽和碳構(gòu)筑成了獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)。ACF含有許多不規(guī)則結(jié)構(gòu),如雜環(huán)結(jié)構(gòu)或含有表面官能團(tuán)的微結(jié)構(gòu),使其具有極大的表面能?；钚蕴坷w維的微孔與相對的孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場,提供了一個吸附態(tài)分子物理和化學(xué)變化的高壓體系,使得吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑比活性炭短、驅(qū)動力大且孔徑分布集中,這是造成活性炭纖維比粒狀活性炭比表面積大、吸附脫附速率快、吸附效率高的主要原因。

吸附性能還受表面化學(xué)性質(zhì)的影響,吸附劑在制造過程中會形成一定量的不均勻表面氧化物,其成分和數(shù)量隨原料和活化工藝不同而異。表面氧化物成為選擇性的吸附中心,使吸附劑具有類似化學(xué)吸附的能力。

ACF表面的化學(xué)官能團(tuán)、雜原子和化合物決定了活性炭纖維表面的化學(xué)吸附位。ACF屬于非極性吸附劑,對水溶液中的非極性或弱極性吸附質(zhì)有很好的吸附效果,但是吸附具有一定極性的溶質(zhì)就有困難。ACF表面酸性基團(tuán)越豐富越有利于其對極性溶質(zhì)的吸附,堿性基團(tuán)越豐富越有利于吸附非極性或者弱極性物質(zhì)。

ACF另一引人注目的性能特征便是高的吸附速度。對于氣體的吸附,一般能在數(shù)十秒或數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到平衡,對液體的吸附也僅需幾分至幾十分鐘就達(dá)平衡。ACF的高吸附速率,使它在實(shí)際應(yīng)用上比其他吸附材料更優(yōu)越。它不僅可以縮短吸附操作周期,減少設(shè)備體積,實(shí)現(xiàn)自動化,而且能適用于一些特殊的快速處理的環(huán)境。

三、活性炭纖維在污水處理中的應(yīng)用特性

(一)對酚類污染物的吸附特性

將0.010g,0.030g,0.050g,0.070g,0.090g,0.120g,0.150gACF

分別加入到50mL的苯酚、對氯苯酚、對硝基苯酚溶液中,在20℃,pH為5、轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min的條件下,振蕩30min后測定ACF對這3種酚類物質(zhì)的去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在污染物含量一定的情況下,隨著ACF投加量的增加,污染物去除率也隨著增加,當(dāng)投加量小于1g/L時(shí),去除率增長速度較快;當(dāng)投加量超過1.5g/L時(shí),活性炭纖維對這些酚類污染物的去除率可達(dá)90%以上;繼續(xù)增加投加量,去除率則緩慢增加,因此在以后的實(shí)驗(yàn)中確定投加量為1g/L。同等投加量的活性炭纖維對污染物的去除率是苯酚<對氯苯酚<對硝基苯酚,這是因?yàn)?對于這三種吸附質(zhì),其在常溫下的溶解度為:對硝基苯酚(1.24g/l00mL)<對氯苯酚(2.7g/100mL)<苯酚(8.19g/100mL),溶解度越小,疏水性越強(qiáng),從水中逃逸的傾向越強(qiáng),越容易被固體表面吸附。

(二)對金屬離子的吸附特性

將0.010g,0.030g,0.050g,0.070g,0.100g,0.120gACF分別加入到50mL原水濃度為0.739mmol/L的Pb2+,和0.738mmolCu2+溶液中,在25℃,pH為5、轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min的條件下,振蕩4h后,測定ACF對Pb2+和Cu2+的去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ACF對Pb2+和Cu2+的去除率隨其投加量的增加而提高,當(dāng)投加量超過1.4g/L時(shí),去除率增加緩慢;投加量為2.4g/L時(shí),ACF對Pb2+和Cu2+的去除率可分別達(dá)到99.7%和99.0%,出水濃度分別降至0.428mg/L和0.495mg/L。實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)具體要求調(diào)整投加量。

四、結(jié)論

活性炭纖維是一種性能優(yōu)于粉末活性炭和顆?；钚蕴康男滦臀讲牧?具有比表面積大、吸附脫附速度快等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于廢氣處理、水處理等領(lǐng)域。

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