活性炭的吸附性能及有機物吸附介紹

1、活性炭的吸附性能及有機物吸附介紹活性炭的吸附性能及有機物吸附的一般概念活性炭的強吸附性能除與它的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積有關(guān)外（其比表面積可 500-仃00m2/g），還與細(xì)孔的行狀和分布以及表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)?；钚蕴康募?xì)孔一般為 110nm其中半徑在2nm以下的微孔占95 %以上，對吸附量影響最大；過渡孔半徑一般為10100nm占5%以下，它為吸附物質(zhì)提供擴散通道， 影響擴散速度；半徑大于100nm 所占比例不足1 %的大孔也是作為提供擴散通道的?；钚蕴康奈酵ǖ罌Q定影響吸附分子的大小，這是因為孔道大小影響吸附的動力學(xué)過程。有報道認(rèn)為，吸附通道直徑是吸附分子直徑的1.721倍，最佳范圍是1.7

2、6倍，一般認(rèn)為孔道應(yīng)為吸附分子活性炭表面化學(xué)性質(zhì)可以說其本身是非極性的,但由于制造過程中處于微晶體邊緣的碳原子共價鍵不飽和而易與其他元素（如H O結(jié)合成各種含氧官能團，如羥基、羧基、羰基等，以致活性炭又具有 微弱的極性，并具有一定的化學(xué)和物理吸附能力。這些官能團在水中發(fā)生離解，使活性炭表面具有某些陰離子特性，極性增強。為此，活 性炭不僅可以除去水中的非極性物質(zhì)，還可吸附極性物質(zhì)，優(yōu)先吸附水中極性小的有機物， 含碳越高范德華力越大， 溶解度越小的脂肪酸 愈易吸附，甚至微量的金屬離子及其化合物?；钚蕴窟^濾用以脫除水中的微量污染物和對反滲透膜產(chǎn)生損害 的游離氯。因為活性炭是一種非極性吸附劑，外觀為暗

3、黑色，粒狀。 主要成分碳、氧、硫、氫，具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)， 可以耐強酸、強堿，能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎?；钚?炭是用動植物、煤、石油及其它有機物作原料，經(jīng)加熱脫水、炭化、 活化制成的。具有巨大的比表面積和發(fā)達的微孔，微孔直徑為2030埃。此外，活性炭的表面有大量的羥基和羧基官能團，可以對各種性質(zhì)的有機物進行化學(xué)吸附、以及靜電引力作用。因此，可以脫色，除 臭味，脫除重金屬、各種溶解性有機物、放射性元素、膠體及游離氯 等?；钚蕴繉τ袡C物的去除活性炭去除有機物的影響因素活性炭對有機物的去除受有機物溶解特性的影響,主要是有機物的極性和分子大小的影響。由于活性炭表面性質(zhì)基本上

4、是非極性的，故對分子量同樣大小的有機物，溶解度越大、親水性越強， 活性炭對其吸附性越差，反之對溶解度小、親水性差、極性弱的有機物（如苯 類化合物、酚類化合物、石油和石油產(chǎn)品等）具有較強的吸附能力。對于分子量大的有機物，由于其憎水性強，體積大，又由于膜擴散、內(nèi)擴散控制吸附速度，因而導(dǎo)致吸附速度很慢?；钚蕴繉τ袡C物的吸附方式基于上述活性炭對有機物等污染物的吸附現(xiàn)象，可以認(rèn)為其主要吸附方式為：一是范德華力（分子間力）吸附，是很弱的力，吸附力與活性炭的性質(zhì)和活性炭本身的微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，兩者分子間不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，故不形成化學(xué)鍵。二是物質(zhì)在活性炭表面之間有電子交換或共享。前者是物理吸附，是可逆的；后者是化學(xué)

5、吸附，是不可逆的。但 無論何種吸附方式，都必須接受活性炭本身結(jié)構(gòu)的孔道尺寸是否能夠 使有機物進入，而后才能被吸附的事實。活性炭去除有機物的特點研究認(rèn)為，分子量在5003000是活性炭可能吸附的范圍， 并隨 分子量的增大，吸附容量減?。ㄒ姳?）。分子直徑大于活性炭孔徑的有機物難以被活性炭吸附。 若有機分子直徑近似于活性炭孔徑，則可能堵塞，形成不可逆吸附。表1活性炭對不同分子量有機物的去除比較原水分子量范圍活性炭進水TOC( mg/L)活性炭出水TOC( mg/L)去除率(%)淮河流域V 0.5 X 1030.811.39(0.51 )X 1031.660.5964.46(13)X 1030.90

6、0.4846.67(310)X 1030.060.58北京田村V 0.5 X 1030.490.49(0.51 )X 1030.50.1570(13)X 1031.361.1515.44(310)X 1030.250.238.00盡管兩個原水水質(zhì)不一樣， 但活性炭對不同分子量有機物的去除卻表現(xiàn)出共同的特性。 活性炭對分子量為 5003000的有機物有十分 好的去除效果，對分子量小于500和大于3000的有機物沒有去除效果。對于分子量小于500的有機物非但沒有去除效果，反而還有使其 增加的可能，這可能是由于分子量小于 500的有機物親水性較強，易被分子量大于500、且具有比其更強的憎水性的、能進

7、入活性炭微孔內(nèi)的有機物所取代?；钚蕴繉Σ煌肿恿康挠袡C物的吸附量的不同是因為活性炭細(xì)孔是最有影響的孔徑，即孔徑110nm被吸附分子直徑占活性炭細(xì)孔 的1/3者，占主要吸附容量，可以說，在此范圍內(nèi)的有機物，基本上 是小于23nm的有機物，能被活性炭表面吸附（如圖1）。去除有機物的活性炭的選擇目前，國內(nèi)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)活性炭品種很少，且多數(shù)屬于氣相炭（即1820埃的細(xì)孔占絕大多數(shù)），自然界的污染物和有機物要比氣體分子大很多，使用氣相炭是不適當(dāng)?shù)?。?jù)報道，國內(nèi)還沒有專門適用于飲用凈水的活性炭。用于市政自來水處理的活性炭是過渡孔隙并不 足夠多的代產(chǎn)品，所以吸附效果較差，周期短。特別是設(shè)計者和應(yīng)用 者往往盲目

8、地按活性炭的一般吸附性指標(biāo)（即比表面積、碘值、四氯化碳吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值）來選取處理天然水的活性炭，這是不恰當(dāng)?shù)摹＠?，椰殼炭大部分孔隙直徑?820埃，其20埃（2nnr）以下的微孔占95%以上，盡管這種炭的比表面積最大，達到上千平方 米，它只對于氣體或小分子具有很高的吸附容量；但對于水中分子量較大、分子體積較大的有機物其吸附程度則受活性炭的過渡孔道的影 響，因而用于去除天然水中分子量較大的有機物，需選用過渡孔占高 比例的活性炭。活性炭對碘、四氯化碳、亞甲基藍(lán)這些小分子物質(zhì)的吸附是可以進入活性炭的微孔中，其吸附值僅是反映了活性炭對小分子物質(zhì)的吸附能力。天然水中的有機物主要包括腐殖酸、富維

9、酸等物質(zhì)，其分子量比碘、亞甲基藍(lán)、四氯化碳（分子量大都在100200以下）的分子量大得多，故其吸附值不能代表對天然水中有機物的吸附能力。表2為活性炭一般吸附性指標(biāo)。表2活性炭一般吸附性指標(biāo)（國標(biāo)GB/TB804-1990炭品種果殼核桃殼及杏殼椰子殼比表面積（m2/g）682.6738.31024.9碘吸附值（ml）833.4895.71111.6亞甲基藍(lán)吸附值（mg/g）99.512.5CCI4吸附值（）41.0845.1164.78球磨強度（）949492灰分（）2.02.02.5活性炭的吸附容量和吸附速度除了與表面積有關(guān)外， 還與其吸附 動力學(xué)因素（即吸附質(zhì)能否順利遷移至活性炭孔的表面） 有關(guān)，如前 已述及的觀點：吸附分子直徑大于孔道直徑的 1/3以上，吸附運動就 會受阻，吸附量就會下降。各種活性炭吸附性能（吸附容量和吸附速度）排列次序如下表3所示。表3活性炭吸附容量和吸附速度的排列活性炭品種腐殖酸富維酸木質(zhì)素丹寧長江水質(zhì)運行排列次序煤10椰殼11果殼33椰殼22222杏殼11111椰殼9椰殼6（日本）椰殼84注：活性炭過濾器失效按吸附量降至15%20%時為終點，大約運行三個月。注：活性炭吸附有機物壽命計算例：3000活性炭罐截面積=7m2活性炭添加量=7m2X 1.6m=11.2m3活性炭重量=11.2m3 X 0.45t/m3 =5.04t給水活性炭