活性炭吸附法處理重金屬廢水

    重金屬廢水是一種具有強毒性、致癌性、致突變性、難降解及易富集等特性的廢水，一直以來都是廢水治理的難點。目前，用于治理重金屬廢水方法主要有混凝、化學沉淀、溶劑萃取、離子交換、電解、吸附、膜分離、電透析和基因工程等物理、化學和生物方法。傳統的處理方法如混凝、化學沉淀、溶劑萃取等盡管工藝較為成熟、簡單，但存在成本高、治理不徹底、存在二次污染等問題，而離子交換、電解膜分離、電透析和基因工程等新興的重金屬廢水處理方法又存在能耗高、設備投資費用高、難以實現工業大規模、連續化操作、技術尚不成熟等問題。活性炭吸附法以其操作簡單、成本低、處理效果好、可避免其它方法成本高、處理不徹底且不存在二次污染等特點，無疑被視為處理重金屬廢水的首選方法之一。

    活性炭作為一種比表面積高、孔容大、孔徑分布可控、表面化學性質可調、高吸附容量、穩定的物理化學性質和高機械強度的吸附劑，可針對重金屬離子物理化學性質以及所處化學環境的不同，對活性炭的物理結構和表面化學性質進行有針對性的調控，以實現活性炭對廢水中重金屬的快速、高效吸附。活性炭作為一種優良的吸附劑，在處理中重金屬廢水方面表現出以下六個優點：

    (1)無需添加任何氧化劑、絮凝劑等化學試劑；

    (2)吸附容量大，處理效果好；

    (3)對重金屬離子的吸附穩定性好、選擇性高；

    (4)可與難被自然界微生物降解的重金屬離子一起填埋，防治再次污染水體，不存在二次污染問題；

    (5)占地少，成本低，操作簡單靈活；

    (6)活性炭可經再生后循環使用，同時實現對重金屬的回收。

    影響活性炭吸附處理重金屬廢水的因素

    1、活性炭的選擇及預處理

    根據處理的重金屬廢水成分及含量的不同，選擇合適比表面積、孔徑分布、孔容以及表面化學性質的活性炭，以確保該類型活性炭對重金屬廢水有較好的處理效果。此外，有時受重金屬廢水自身物化特性的限制以及為達到廢水排放標準，活性炭往往需要經過預處理，如對活性炭進行氧化改性，增加活性炭表面含氧官能團數量，以增強活性炭的親水性和對重金屬離子的選擇性吸附能力，同時還可進一步提供活性炭對重金屬離子的化學吸附容量以及吸附的穩定性。

    2、廢水的pH值

    由于廢水的pH值對重金屬離子的存在形態和價態影響較大，在不同的pH下，大多數重金屬離子易與廢水中陰離子以及水分子形成配位數不同的配合物，導致重金屬離子的水化半徑也存在較大差異，當離子的水化半徑較大時，重金屬配合物難以進入活性炭內的微孔，從而直接影響活性炭對重金屬離子的吸附效果。此外，當廢水pH過高時，大部分重金屬離子會以沉淀的形式析出。因此采用活性炭吸附法吸附處理重金屬廢水時應在合適的pH范圍內進行吸附。

    3、停留時間

    活性炭在吸附柱內對重金屬廢水的動態吸附過程往往與廢水組成、流量等條件有關，且應保證重金屬廢水在吸附柱內有足夠長的停留時間，以確保其較高的去除率。但停留時間有不宜過長，否則會影響活性炭吸附處理流程的連續化操作并大幅度減少其處理容量。重金屬離子在活性炭上的吸附，無論是屬于物理吸附、化學吸附或是離子交換吸附，盡管在吸附速率上有所不同，但在實際吸附過程中，都難以達到熱力學上的吸附平衡，只能盡可能接近動力學意義上的動態平衡。因此，重金屬離子與活性炭之間的接觸時間，應在保證出口水質達到排放標準的前提下，盡可能縮短，以確保吸附柱在較大廢水處理量下的連續化操作。

    4、活性炭用量

    活性炭用量應根據廢水組成、流量等相匹配，找到最佳用量，以保證活性炭吸附柱在最佳工況下運行。若活性炭用量過大，則需增加吸附柱的操作壓力，且浪費吸附劑，是不經濟合理的；反之，若活性炭用量不夠，則會使吸附效果下降，吸附柱出水濃度難以達到工業排放標準。此外，對活性炭進行恰當的預處理后可以在一定程度上減少活性炭的用量。

    5、吸附柱的運行條件

    當吸附柱及活性炭選擇設計好后，應反復多次運行調試吸附柱，以確定吸附柱的最佳運行條件，包括吸附柱進出口廢水的流量、活性炭填裝高度、吸附柱操作壓力等。實驗發現隨著六價鉻離子溶液進口流量的增大，其穿透時間變短，傳質鋒面變平緩且吸附效果明顯變差，因此在實際操作中應綜合考慮穿透時間和活性炭對重金屬離子的去除效果來選擇合適的進口流量。

    活性炭吸附重金屬離子的機理：

    活性炭對重金屬離子的吸附機理目前尚無明確的說法，通常有以下四種機理：

    一是：活性炭表面官能團與重金屬離子發生質子或離子交換；

    二是：活性炭表面官能團與重金屬離子之間發生絡合反應，在活性炭表面形成復雜、穩定的絡合物；

    三是：自發的氧化還原反應或活性炭與重金屬離子之間發生電荷轉移；

    四是：金屬離子與活性炭微晶π電子之間的靜電相互作用。

    除了活性炭高比表面積、發達的孔隙結構和大的孔容積外，活性炭表面穩定且可調控、改變的含氧和含氮官能團的存在，使得活性炭對重金屬離子的化學吸附成為決定活性炭吸附重金屬離子容量大小的關鍵因素。

    結論：

    在采用活性炭處理重金屬廢水之前，應先在了解重金屬廢水物化特性的基礎上，綜合考慮影響活性炭吸附重金屬離子吸附效果的五大因素，對處理的重金屬廢水進行反復實驗以確定最佳工藝條件，必要時可依據活性炭對重金屬離子的吸附機理有目的性的對所使用的活性炭進行改性處理或是調整工藝參數，以求達到最佳處理效果。同時還應考慮活性炭的再生和重金屬的回收問題，以降低處理成本并獲得最大的經濟效益。

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