活性炭在化学生产工艺中的应用

活性炭在化学生产工艺中的应用

王赵阳

国家能源集团新疆能源有限责任公司活性炭分公司 新疆 830019

摘要：活性炭是以木质、煤质、石油焦等含碳原料经热解活化加工而成，其孔隙结构发达，比表面积大，表面化学基团丰富，吸附能力强。活性炭广泛应用于石油化工、食品、医药甚至航空航天等领域，已成为国民经济发展及国防建设的重要功能材料。

关键词：活性炭；化学生产；应用

褐煤提质废水是一种难生物降解的工业生产废水，为促进煤化工技术的进步与发展，需处理煤化工生产工艺中产生的废水，采用混凝沉淀+厌氧水解酸化预处理、活性炭吸附深度处理、芬顿活性炭吸附深度处理组合工艺，对褐煤提质废水进行处理试验，实现对工业生产废水COD及色度的去除。基于此，本文重点探讨了活性炭在化学生产工艺中的应用。

一、活性炭的特点与吸附原理

1、特点。从外观上来看，活性炭大多以粉末、颗粒或块状等形式为主，除含有丰富的碳元素外，还有其他组合物质：①化学元素。活性炭中除碳之外的化学元素以氢、氧为主，由于炭化反应而附着于活性炭中；②灰分。灰分是活性炭中重要的无机组成部分，正是由于灰分的存在，才导致容易出现二次污染。

2、吸附原理。活性炭的吸附作用有两种，一种是物理吸附，另一种是化学吸附。物理吸附主要是因活性炭有丰富的微孔，可吸附水分和空气中的杂质，但这些物质的分子直径必须小于活性炭的孔径。化学吸附时，活性炭在吸附剂和吸附质的表面会交换或共用电子，当发生化学反应时，吸附剂和吸附质间就会形成化学键，发生化学反应的吸附即是化学吸附。

二、活性炭吸附及芬顿高级氧化技术在废水深度处理中的应用

活性炭的吸附作用是一种或多种溶质选择性地由液/气体向颗粒团聚物的方向迁移，利用溶质与吸附剂间性质不同的结合力实现物理/化学吸附，能较好地应用于废水深度处理工艺中，吸附溶解水中的污染物，如无机污染物、有机污染物、重金属离子等，降低废水中COD浓度、色度和浊度。

芬顿高级氧化技术是采用二价铁与过氧化氢(芬顿试剂)处理工业废水，利用芬顿试剂的强氧化特性改变有机分子结构，催化反应生成强氧化性官能团，有效处理废水中有毒且较难处理的有机物。需注意的是，尽管芬顿氧化法能有效去除水中有机物，但芬顿反应要在酸性环境下进行，对pH值要求高，并在反应后还要进一步去除水中浓度较高的铁离子，适用于污染物浓度低、污染水质少情况。

三、实验方案及指标测定

1、实验指标的测定。在准备实验仪器和药品后，要测定实验指标，包括：①测定COD浓度。将10mL重铬酸钾标准溶液置于500mL锥形瓶中，添加100mL蒸馏水和30mL浓硫酸，混匀冷却后添加三滴试亚铁灵指示剂，以硫酸亚铁铵溶液滴定，直至溶液由黄色变为蓝绿色最后成为红褐色为止。②测定色度。取不同容量的500°铬钴标准溶液置于50mL比色管中，稀释混匀，采用石英比色皿测定吸光度。③测定氨氮。采用纳氏试剂光度法测定游离态或铵离子等形式存在的氨氮。

2、活性炭实验方案。①活性炭投加量的影响。对10个500mL装有200mL原水的烧杯投加活性炭，分别为2g、4g、6g、8g、10g、12g、14g、16g、18g、20g，再用六联搅拌器以400r/min的转速搅拌1h，离心并测量水中的COD、色度和氨氮。②pH值的影响。以H₂SO₄和NaOH调节水样的pH值，使之分别为1、3、5、7、9、11，投加适宜的活性炭，搅拌1h再离心测量水体的COD、色度和氨氮。③反应时间的影响。以H₂SO₄和NaOH调节水样的pH值，投加适宜的活性炭，分别搅拌5min、15min、30min、45min、60min、80min、110min、140min，再离心测量水体的COD、色度和氨氮。

3、芬顿-活性炭实验方案。采用芬顿-活性炭实验，将400mL原水分别添入10个烧杯中，以H₂SO₄调节pH值为3，并投加24.94mmol/L的H₂O₂、31mmol/L的FeSO₄，进行反应，实验结束后以NaOH调节pH值为8，再将烧杯静置沉淀，1h后取上清液。同时，采用GC/MS法对褐煤提质废水进行常规水质分析；COD为160～230mg/L、NH⁴⁺-N为80～90mg/L、pH为8.4～8.6、色度为400～450倍，相关数据显示褐煤提质废水远超出污水综合排放一级标准。

四、活性炭性能及其吸附行为

1、活性炭性能。要预先进行活性炭的预处理，以去离子水清洗活性炭，在烘箱中烘干再置于棕色瓶中，分析活性炭相关吸附指标可知：孔径为1～1.5nm的活性炭主要吸附中小型分子；孔径为1.5～1.8nm的活性炭主要吸附微孔和中小孔的污染物；孔径为0.7nm的活性炭主要吸附中型分子。

2、活性炭静态吸附影响因素。在活性炭静态吸附实验中，不同因素对其结果有一定的影响。①活性炭投加量对污染物去除率的影响。粒径为20～30目的活性炭在投加量为20g的情况下，COD的去除率为97%；6～8目活性炭的投加量为12g时，COD去除率为81%；10～20目活性炭的投加量为14g时，COD去除率为76.5%，综合考虑去除效果和经济性等角度，选择6～8目的12g活性炭作为处理褐煤提质废水的适宜用量。②不同pH对污染物去除率的影响。活性炭的最佳吸附pH值为5，能明显在酸性环境下去除污染有机物。同时，6～8目的活性炭在pH值为5时的最高色度去除率为88%，10～20目的活性炭在pH值为5时的最高色度去除率为87.5%，20～30目的活性炭在pH值为3时的最高色度去除率为87.5%。由此可知，当pH值为5时，活性炭能最大程度上去除废水中的COD、色度；而当pH值为7时，活性炭对废水中氨氮的去除率达到最高值。③吸附时间对污染物的去除影响。6～8目的活性炭在0～30min时的色度去除度明显增加，在30min～80min时的色度去除度缓慢增加，之后进入吸附平衡状态，吸附量保持不变。

五、芬顿-活性炭对褐煤提质废水深度处理

原有的活性炭吸附褐煤提质废水污染物的方法仍无法达到水质排放标准，因此可采用芬顿试剂，对褐煤提质废水进行氧化预处理，再以活性炭吸附，实现对褐煤提质废水的深度处理和回用。

1、芬顿试剂对褐煤提质废水深度处理效果。芬顿试剂是利用羟基自由基的超强氧化性能，对难以降解的物质进行深度氧化，各因素对实验处理效果的影响表现为：①n(H₂O₂):n(Fe²⁺)对处理效果的影响。当n(H₂O₂):n(Fe²⁺)为3时，芬顿试剂深度处理褐煤提质废水的效果最佳，COD和色度的去除率达到峰值。②初始pH值对处理效果的影响。由于过酸环境会阻止Fe³⁺的还原生成，无法高效氧化去除污染物；而碱性较强的环境又会影响OH^-的生成，降低有机物的氧化效果。为此，要将pH值设置为3，才能满足芬顿反应的高效进行。③芬顿试剂投加量对处理效果的影响。综合考虑应用效果和经济性条件，选择1.0倍作为最佳投药量，将H₂O₂的投加量设定为24.94mmol/L，FeSO₄的投加量设定为8.31mmol/L，能较好地提高反应效果。④反应时间对处理效果的影响。当H₂O₂投加量为24.94mmol/L、FeSO₄投加量为8.31mmol/L时，当反应时间延长时,出水COD、色度去除率相应增大，1h后的去除率则相对趋缓，由此可选择1h作为反应最佳时间。

2、芬顿-活性炭对褐煤提质废水深度处理实验。①活性炭投加量的影响。在芬顿-活性炭系统中，进行芬顿氧化预处理后，对废水中的COD和色度去除率有所提高，选取10～20目活性炭投加量为4g时，COD值为58.46，去除率可达66.37%；当10～20目活性炭投加量为8g时，色度值为58倍，去除率可达86.37%。但对氨氮的去除效果并不明显。②不同pH的影响。芬顿-活性炭系统中的pH值调节为5时能使COD去除率达到最大值90.53%，然而综合COD去除效果和经济性因素，选取pH值调节为3时为宜。③吸附时间的影响。芬顿-活性炭系统中的6～8目、10～20目和20～30目活性炭在80min后趋于稳定，分别稳定在85.42%、87.81%、98.57%。

3、活性炭重复使用。可将活性炭作为催化剂进行重复使用，以6～8目的活性炭为例，在反应初期能有效实现对污染物的吸附，而随着反应时间的延长，对COD的吸附去除率逐渐下降。

参考文献：

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