（环境工程专业论文）柚子皮活性炭的制备及其应用研究.pdf

1 1 | i | | i l i i i | i i l | 1 1 1 l i l l i i l l i l | | i i | | l l | i i y 1717 5 3 6 p r e p a r a t i o n o f g r a p e f r u i tp e e la c t i v ec a r b o n a n di t sa p p l i c a t i o ns t u d i e s m 句o r ： e n v 的m e n t a le n g i n e e 血l g d i r e c t i o no fs t u d y ：w r a t e rp o l l u t i o nc o n 仃i d l g r a d u a t es t u d e n t ： y u a l ls h o u m i s u p e r v i s o r ： p r o z h u n i a n c o l l e g eo fe n v 的m e n t a l s c i e n c ea i l de 1 1 9 i n e e r i n g g u i l i i lu n i v e r s i t yo f 融h n o l o g y s 印t e m b e r ，2 0 0 8t oa p r i l ，2 0 1o 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：越选 签字同期：也臣年笸目丛目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社 会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彩乏窘葫移 签字日期：乒口矽年莎号莎暑 导师签字： 浆叉锄 签字日期：必o 年莎月- 0 目 棒林理 广西是柚子生产大省，每年产生 生重要污染，冈此，对柚子皮的利州 子皮为原料，采川氯化锌活化法制备了轩钉子受活性炭，并将其分别应用于氨氮、磷和六价铬废 水的处理，主要得出了以_ 卜结论： ( 1 ) 住制备柚子皮活性炭的过拌中，对得率影响最人的冈素是液料质量比，对碘吸附值影 响最人的冈素是活化剂浓度。通过单因素与正交试验，综合考虑活性炭的得率和活性炭的吸附 性能，采用氯化锌活化法制备柚子皮活性炭的最佳工艺条件是氯化锌溶液质量分数为2 0 ，液 料质量比为3 0 ：l ，活化温度5 0 0 。活化时间8 0 m i i l 。所得柚子皮活性炭的得率为3 5 3 6 ， 碘吸附值为8 5l m g 儋； ( 2 ) 在氨氮初始浓度为5 0 m g l 、吸附温度为2 0 的条件下，吸附反应在5 h 后吸附基本达 到平衡，吸附量保持在3 6m g 儋以上，柚子皮活性炭对氨氮的吸附过程遵循准二级动力学模型； 由h r y 方程和f r 跚n d l i c h 方程的相关系数r 2 可知，h 秽等温吸附模型和f 陀u n d l i c h 等温吸 附模型均能较好的用于描述柚子皮活性炭对氨氮的吸附特征：氨氮初始浓度、投加量、p h 和吸 附温度对氨氮的吸附均有影响，温度对吸附的影响不大： ( 3 ) 在磷初始浓度为5 m g l 、吸附温度为2 0 的条件下，吸附反应在3 h 后基本达到吸附平 衡，吸附量保持在3 0 0m g l c g 以上，柚子皮活性炭对磷的吸附过程遵循准二级动力学模型；由 d l i c h 方程的相关系数r 2 可知，柚子皮活性炭对磷的吸附特征可用f 把吼d l i c h 等温吸附模 型进行描述；磷初始浓度、投加量、p h 和吸附温度对磷的吸附均有影响，p h 对吸附的影响不 大； ( 4 ) 在铬( ) 初始浓度为1 0 0 熠恤l 、吸附温度为2 0 的条件下，吸附反应在1 4 h 后吸附基 本达到平衡，吸附量保持在2 1 5m g 儋以上。柚子皮活性炭对铬( ) 的吸附过程遵循准二级动力 学模型；由l a n g m u i r 方程和f r a l n d l i c h 方程的相关系数r 2 可知，l a n g m u i r 等温吸附模型和 f r e 岫d l i c h 等温吸附模型均能较好的用于描述柚子皮活性炭对铬( ) 的吸附特征。利用l a n g m n i r 等温吸附模型对实验数据进行分析，在p h 值为4 、6 、8 条件下，柚子皮活性炭对铬( ) 的最大 吸附量分别为2 6 2 5 、2 2 7 3 、1 5 1 3 m g ；利用f r e u n d l i c h 等温吸附模型对实验数据进行分析， 得出l n 的范围为0 1 0 2 之间，说明本研究中柚子皮活性炭对铬l u ) 的吸麓效果非常显著；柚 子皮活性炭投加量、p h 和吸附温度对铬( ) 的吸附均有影响。 关键词：柚子皮活性炭；吸附：氨氮；磷；铬( ) 桂林理工人学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t l a r g eg r a p e 觚i tp r o d u c t i o ni ng u 孤黔i 1 h e m f 0 他g 饥e r a t e dal o to fg r a p e f m i tp e e l i fy o ud 0n o t u s e 卸dd i s c a r d la n dl h i s 谢l lc a u s es 舐o u sp o l l u t i o no ft l l e 锄v i l 0 胁e i l t t h e 陀f o r e ，t l l eu o f g r a p e 向【l i tp 1w i t ha9 0 0 ds o c i a l ，e c o n o m i c 觚de n v i r o 姗饥t a lb e n e f i t s h lm i ss t i l d y g r a p e 如l i tp l a sm wm a t 丽a l ，a c t i v a t i 伽u s i n gz i l l cc h l o r i d ew e r ep r i 印a r e da c t i v a t e dc 酊b o no fg r a p e f h i tp e e l ，肌d w e r eu s e di nt h e 锄m o n i an i t r o g e n ，p h o s p h a t ea n dh e x a v a l e n tc h r 0 恤i u mw 嬲t e w a t e r 旬r e a n i l e n t ，t h e m a i nd r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) a c t i v i 哆i nt h ep r 印a m t i o np r o c 髓so fg m p e 白】i tp l ，t l l eg r e a t e s ti m p a c to nm e ) r i e l df a c t o r i sn 圮m t i oo fl i q u i dt os o l i 也i o d i l l ea d s 0 印t i o nv a l u e0 i lt h em o s ti i l f l u e n t i a lf a c t o ri 8t h e t i v a t o r c o n c 饥t m t i b ys i i l g l e - f a c t o rt 懿t 锄do r t l l o g o n a l t 岱t ，c 0 i d e 咖gt 1 1 e ) ，i e l do fa c t i v a t e dc a f b o n 锄d t i v a t e dc a d ) 0 na d s o r p t i o n a c t i v a t e de a f b o nw i mz i i l cc _ h l o r i d ep i q m dg r a p e 如l i tp lm eo p t i l l l 啪 c o n d i t i o n sf 0 rz i l l cc h l 嘶d e l u t i o nc o n c 饥仃a t i o f2 0 ，m 弱s 掰t i oo fl i q u i dt os o l i do f 3 0 ：l ，a c t i v a t i o nt 锄p e m t n l eo f5 0 0 锄dt i m eo f8 0m i n t h ey i e l do ft h ep m d u c tw a st 03 5 3 6 ，a n d t h ei d i n ev a l u ew 鹪t 08 5 l m g 。 ( 2 ) 5 ha r e ra d s o 叩t i o ne q u i l i b r i u mw 笛a c h i e v c di i ln l ea d s o 印t i o nc a p a c i t ) ，撒n a i n e da t3 6m g l a b o v e ，g r a p e 舶i tp e e la c t i v a t e dc 酊b o na d s o 印t i o no f 锄m o n i af o l l o w e dp s e u d os e c o n do m 盯k i i l e t i c m o d e lo ft l l ep 砌瑚s ；b yt l l eh 伽d re q u a t i o n 锄df r e u n d l i c he q u a t i o nw i mc o 玎e l a t i c o e m c i 踟t l 【n 刚m h 锄r yi s o t l l e 咖m o d e l s 觚df 诧岫d l i c hi s o m e mm o d c l sc 跚b e 璐c d 矗”a l cd 销c r i 州帆o f g r a p e f m i tp lo nt h e 锄吼o i l i aa d s o 叩t i o nc h a m c t 舒s t i c so fa c t i v a t e dc a f b o n ；锄m o n i ai i l i t i a l c o n c e n 心a t i o n ，d o s a g e ，p ha n dt a n p 啪t u r e t h ea m m o i l i aa d s o r p t i o na 把a 丘e c t e d ，l i t t l ee 丘to f t 锄p e m t i l 他伽钺l s o 印t i o n ( 3 ) a d s o 叩t i a ta d s o r 砸o no q u i i i b 一啪w 鸽a c h i e v e da r 盯3 h ，l ea d s o 印t i o nc a p i 锣 崩n a i l l e da t3 0 0m g 肚gd b o v 岛掣置p 如i tp e e la c t i v a t e dc 龇b d na d s o 印t i o no fp h o s p _ h a t ef o l l o w sm e q u a s i - s e c o n do m e rk i n 鲥cm o d e l ；f r e u n d l i c h c o 玎e l a t i 。c o e 伍c i e n t s 袱鹏s i 弘i f i c a n t ，t h e 托f o 他， 目m p e 仔u i tp e e la c t i v a t e dc 越b d na d 唧t i o no fp h o s p h o n l sf o u n df r e 删1 d l i c hi s o t l l 锄m o d e l ；i i l i t i a l c o n c 饥豳t i ，d o s a g e p ha n da d s o f 州o nt e m p 啪m r e o na d s o r p t i o no f p h o s p h o m 8a r ea 仃e c t e d ，p h t h ea d s o 印t i o no fn o n - l a r g e ( 4 ) a d s o 印t i o na ta d s o 碘i o ne q u i l i b u mw a l s a c h i e 、- 酣a r e r1 4 h ，t l l ea d s o r p t i o nc a p a c i t ) r 崩n a i n e da t21 5m g ga b 0 v c g r a l 蓐h i tp e da c t i v a t e dc a r b o nc r ( ) i nt l l ea d s o 印t i o np 砌c l 鼯s f 0 1 l o w c dp s 即d os 0 n do r d e rk i l l e t i cm o d e l ；b yt l l el a n g m u i re q u a t i o n 觚df 打e u n d l i c he q u 撕o no fm e c o 鹏l a t i o nc o e 伍c i t k i l o w n ，c o n s i s t 锄t 谢t l ll a n 舯u i ri s o t l l e 啪m o d e l 锄d l ef r e 帅d l i c h i s o t h 啪nm o d e l u s i n gl 姐g m u i ri s o m 锄m o d e lt 0a n a l y z em ee x p t ：r i m e n t a ld a t ao b t a i n e di i lt h e s o l u t i o np h4 ，m em a 】【i i n u ma d s o r p t i o nc a p a c i 够w 觞2 6 2 5 m g g ；f 诧吼d l i c hi s o t h 饥nm o d e l 璐i i l g c x p 舒m t a ld a t a 锄a l y s i s ，l ni i lt h em i l g co fb e t 、e 0 1 t o0 2 ，t h ep i 懿e | l ts t i l d y g r a p e f m i tp e e l a c t i v a t e dc 打b o nc r ( ) a d s o 巾t i o ne 能c ti sv e 叮s i 弘i f i c a n t ；g m p e 舢i tp e e la c t i v a t e dc 矗b o nd o s a g e ， p h 锄da d s o 叩t i o nt 锄p e r a m l - eo nt h ec r ( ) a d s 0 印t i o na a 妇t e d k e y w o r d s ：g r a p e 觚i t p la c t i v a t e dc 缸b o n ；a d s o r p t i o n ；a m m o n i an i 仃0 9 朗；p h o s p h o r u s ；c r ( ) 桂林理1 ：大学硕十研究生学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 录1 1 1 7 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 我国及广西水环境现状l 1 1 2 氮、磷和铬的危害2 1 2 活性炭简介3 1 2 1 活性炭材料的结构与性质4 1 2 1 1 活性炭的孔隙结构4 1 2 1 2 活性炭的表面性质4 1 2 2 活性炭分类及我国木质净水用活性炭质量标准4 1 2 3 活性炭的制备5 1 2 3 1 活性炭的制备原料5 。1 2 3 2 活性炭的制备方法6 1 2 4 活性炭对溶质的吸附特征。8 1 2 5 影响活性炭吸附性能的主要因素。8 1 2 6 活性炭材料在环境保护中的应用：。8 1 3 研究目的和意义9 1 4 研究内容及实验方案l o 1 4 1 研究内容10 1 4 2 实验方案：lo 1 5 本论文的特色及创新l o 第2 章柚子皮活性炭的制备及表征1 l 2 1 实验材料、试剂与仪器1 1 2 1 1 实验材料和试剂1 1 2 1 2 主要设备及仪器1 l 2 2 实验方法1 1 2 2 1 氯化锌活化法制备柚子皮活性炭。1 1 2 2 2 柚子皮活性炭吸附剂主要性能的检测1 2 桂林理一f ：人学硕+ 研究生学位论文 2 2 2 1 碘吸附值的测定1 2 2 2 2 2 产品得率的计算1 2 2 3 结果与讨论1 2 2 - 3 1 氯化锌溶液质量分数对柚子皮活性炭吸附剂吸附性能和得率的影响1 2 2 3 2 液料质量比对柚子皮活性炭吸附剂吸附性能和得率的影响1 3 2 3 3 活化温度对柚子皮活性炭吸附剂吸附性能和得率的影响1 5 2 3 4 活化时间对柚子皮活性炭吸附剂吸附性能和得率的影响1 6 2 4 工艺参数的优化1 7 2 5 本章小结1 9 第3 章柚子皮活性炭去除水中氨氮的研究2 0 3 1 实验试剂、仪器和装置2 0 3 1 1 主要试剂。：2 0 3 1 2 主要仪器、装置2 0 3 2 实验方法2 0 3 2 1 吸附动力学实验一2 0 3 2 2 吸附等温线实验2 l 3 2 3 吸附影响因素实验2 l 3 3 实验结果与分析2 1 3 3 1 氨氮吸附的动力学过程一2 l 3 3 2 柚子皮活性炭对氨氮的等温吸附线2 5 3 3 3 氨氮溶液p h 值对氨氮去除效果的影响2 7 3 3 4 初始氨氮浓度对吸附的影响一2 8 3 3 5 温度对吸附的影响一2 8 3 3 6 投加量对氨氮的吸附影响2 9 3 4 小结：3 0 第4 章柚子皮活性炭去除水中磷的研究 3 l 4 1 实验试剂、仪器和装置3 l 4 1 1 主要试剂31 4 1 2 主要仪器、装置一3 l 4 2 实验方法3l 4 2 1 吸附动力学实验3 1 4 2 2 吸附等温线实验3 2 4 2 3 吸附影响因素实验。3 2 v 一1-一 桂林理t 大学硕+ 研究生学位论文 4 3 实验结果与分析3 2 4 3 1 磷的吸附动力学过程3 2 4 3 2 柚子皮活性炭对磷的等温吸附线3 6 4 3 3 磷溶液初始浓度对磷去除效果的影响3 7 4 3 4 投加量对磷去除效果的影响3 8 4 3 5p h 值对磷去除效果的影响3 9 4 3 6 吸附温度对磷去除效果的影响4 0 4 4 ，j 、结4 0 第5 章柚子皮活性炭去除水中铬( ) 的研究。4 2 5 1 实验试剂、仪器和装置4 2 5 1 1 主要试剂4 2 5 1 2 主要仪器、装置：4 2 5 2 实验方法4 2 5 2 1 吸附动力学实验。4 2 5 2 2 吸附等温线实验4 3 5 2 3 吸附影响因素实验4 3 5 3 实验结果与分析4 3 5 3 1 铬( ) 吸附的动力学过程一4 3 5 3 2 柚子皮活性炭对铬( ) 的等温吸附。4 6 5 3 3 溶液p h 值对铬( ) 去除效果的影响4 8 5 3 4 投加量对铬( ) 去除效果的影响4 9 5 3 5 吸附温度对铬( ) 去除效果的影响5 0 5 4 小结5l 第6 章结论及建议 6 1 结论5 3 6 2 建议5 4 致谢 ! ；6 参考文献5 6 个人简历。 v i 6 0 一一 桂林理工大学硕十研究生学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 我国及广西水环境现状 第l 章绪论 2 0 0 6 年，全国的地表水总体水质属于中度污染。在国家环境监测网进行监测的 7 4 6 个地表水的监测断面中，主要污染指标为氨氮、高锰酸盐指数和石油类等。七 大水系河流的监测断面中，i i i i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 6 、 2 8 和2 6 。其中，长江和珠江水质良好，黄河、淮河和松花江中度污染，海河和 辽河是重度污染。 2 7 个国家监控的重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 有2 个，i i i 类水质 的湖( 库) 有6 个，类水质的湖( 库) 有1 个，v 类水质的湖( 库) 有5 个，劣 v 类水质的湖( 库) 有1 3 个。其中，巢湖水质是v 类，滇池和太湖是劣v 类。总氮 和总磷为主要污染指标。 9 个重点国家监控的大型淡水湖中，兴凯湖是i i 类水质，镜泊湖是类水质， 洱海为i 类水质，洞庭湖和鄱阳湖是v 类水质，南四湖、达赉湖、洪泽湖和白洋淀 是劣v 类水质。总氮和总磷为主要污染指标。营养状态的评价说明：洱海和鄱阳湖 是中营养状态；洪泽湖、南四湖、洞庭湖和镜泊湖是轻度富营养状态；达赉湖是中 度富营养状态；白洋淀则为重度富营养状态。 在监测统计的5 个城市的内湖中，北京的昆明湖为i i i 类水质，武汉东湖、南京 玄武湖、杭州西湖、济南大明湖是劣v 类水质。总氮、总磷为主要污染指标。西湖、 玄武湖、大明湖是轻度富营养状态，昆明湖为中营养状态，东湖为中度富营养状态。 在监测统计的l o 座大型的水库中，陕西石门水库为i i 类水质，北京密云水库、 湖北丹江口水库、浙江千岛湖、安徽董铺水库为i i i 类水质，吉林松花湖为v 类水质， 辽宁大伙房水库、山东的崂山水库和门楼水库为劣v 类水质。总氮为主要污染指标。 辽宁大伙房水库为中度富营养状态，北京密云水库为轻度富营养状态，其它7 座大 型水库都为中、贫营养状态。 在2 0 0 6 年全国唛水排放的总量是5 3 7 o 亿吨，比2 0 0 5 年增长了2 4 ：全国 近年来氨氮和废水排放量见表1 1 【。在3 9 个工业行业的统计中，废水的排放量位 于前4 位的行业依次为造纸业、化学原料及制品业、电力业、纺织业，这四个行业 所排放的废水占重点调查企业废水排放量的5 3 9 。氨氮的排放量排在前四位的行 业依次为化学原料及制品业、造纸业、农副产品加工业、纺织业，四个行业氨氮排 放量占重点调查企业氨氮排放量的6 5 8 【2 】。 棒林理工大学硕士研究生学位论文 我国江河流域污染越来越普遍，并且呈发展的趋势。对全国的5 5 万k m 河段的 调查说明，水质遭到严重污染而不能用于灌溉( 即劣v 类) 的河段大概占2 3 3 ； 2 4 万k m 的河段的鱼虾已经绝迹，占4 5 ；不能满足i i i 类水质标准的河段占8 5 9 ， 而且其生态功能衰退严重。湖泊的水污染现象近年来也呈迅速增长趋势。全国的大 型淡水湖泊和城市湖泊都达到了中度与重度污染。草海、滇池的氨和磷的污染非常 严重，富营养化问题突出，全湖水质都劣于v 类p j 。 表1 1全国近年废水及氨氮排放量对比 t a b l e1 1c o m p a r i s o no fd i s c h a r g e 锄0 u n to fc o u n 州d ew a s t e w a t e ra n da m m o n i u mi nr e c 饥t y e a r s 2 0 0 7 年1 2 月份在广西的3 6 条主要河流上设置的7 7 个水质监测的断面，总评 价河长为4 7 4 9 6 k m ，水质为v 类和劣v 类的河长6 1 6 1 k m ，占总评价河长的1 2 9 。 监测的四座水库中大王滩水库水质是劣v 类，主要超标污染物是总氮和氨氮；青狮 潭水库水质为类j 主要超标污染物为粪大肠菌群、总磷【4 j 。 上述数据表明我国境内的七大水系和重点湖库均存在着不同程度的污染，且部 分水体污染严重，有的水质甚至劣于v 类，失去任何使用价值。虽然广西区内水量 丰富，总体上水质优于全国，但部分水体水质不容乐观，其中以氮和磷污染为主。 由此可见，氮、磷在我国水体中的污染普遍存在，且形势严峻。 重金属对水体的污染也是我国当前面临的一个重要环境问题，其中含重金属离 子废水是造成此污染的一个重要因素。重金属废水主要来源于冶金、采矿、电镀、 制革等行业。如矿山排放废水、选矿厂尾矿排放废水、有色金属冶炼厂与加工厂排 放废水、电镀厂镀件洗涤所排放废水等，这些废水中所含重金属离子的种类、数量 和形态差别较大。这些废水若没有被处理就随意排放至外界环境中，那么将对我们 赖以生存的水资源产生极其重要的危害。 l - 1 2 氨、磷和铬的危害 氮、磷属于植物营养物质，经污水排入水体后，将产生一系列的转化过程。含 氮化合物进行氨化和硝化过程后形成的硝酸盐在缺氧与酸性条件下，可还原为亚硝 酸盐，从而形成亚硝胺。亚硝胺是三致( 致突变、致癌、致畸形) 物质，且上述转 化过程也能在人胃内进行【5 1 ，可见，氮能对人类产生很大的危害。 2 一 桂林理+ i i 人学硕十研究生学何论文 氮污染的主要危害可以归纳为： ( 1 ) 使水体正常的溶解氧的平衡遭到干扰，进一步使水质恶化； ( 2 ) 对水源水质产生影响，增加水处理的负担； ( 3 ) 使水体的富营养化进程加快； ( 4 ) 含氮化合物对人和生物有一定的毒害作用； ( 5 ) 使水体感官性状恶化，从而降低了水体的美学价值【6 。 水体中的磷可以分成有机磷和无机磷两大类。有机磷大多数呈颗粒状和胶体， 3 0 左右属于可溶性有机磷；无机磷几乎都是以可溶性磷酸盐的形式存在。可溶性 磷非常容易与f e 3 + 、c a 2 + 、a 1 ”等离子生成沉淀物沉积在水体底部成为底泥。沉积物 中的磷，通过水流的湍流扩散可再度稀释到上层水体中，或者当沉积物中的可溶性 磷大大的超过水体中的磷的浓度时，可能会重新释放到水体中。 氮、磷污染物排放到水体，特别是流动性较差的海湾和湖泊，容易引起水中藻 类与其他浮游生物的大量繁殖，形成富营养化，除了会使自来水处理厂运行困难， 造成饮用水的异味外，严重时还会使水中溶解氧下降，致使鱼类等水生生物大量死亡， 甚至会导致湖泊的干涸灭亡【。 铬有三价( 铬3 十) 和六价( 铬引。) 之分。六价铬的毒性比三价铬大1 0 0 倍，铬中毒 主要是由六价铬引起的。它可以促使血红蛋白转变成高铁血红蛋白，并能对人体内 的氧化、还原和水解过程进行干扰，六价铬还能使人体的皮肤、呼吸道、眼睛、肠 胃道乃至内脏器官受损，同时六价铬也是国际抗癌研究中心和美国毒理学组织公布 的致癌物，具有明显的致癌作用【3 】。 1 2 活性炭简介 活性炭是一种具有三维空隙结构和大比表面积的人工炭材料制品，它主要由炭 元素( 质量分数为8 7 9 7 ) 组成【9 】，是一种优良的吸附剂。活性炭材料主要包括粉 末状活性炭、颗粒状活性炭、活性炭纤维等。作为一种性能优良的吸附剂，活性炭 材料其具有独特的吸附表面结构特性和表面化学性能所决定的。活性炭材料的化学 性质稳定，机械强度高，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水与有机溶剂，可以再生使用： 可以通过一些物理、化学处理来改变其表面的微孔结构，如孔径、孔容的大小等， 或改变活性炭的表面酸、碱性，在炭表面引入或去除某些官能团，使活性炭具有某 种特殊的吸附性能和催化特性。目前广泛应用于化学、轻工、食品和石油等工业中 的脱色、去臭、净化和三废处理等，其应用领域广泛，市场前景广阔。 3 棒林理l ：人学硕十研究生学位论文 1 2 1 活性炭材料的结构与性质 1 2 1 1 活性炭的孔隙结构 活性炭材料的结构属于非结晶性物质，它是由石墨微晶和将这些石墨微晶连接 在一起的碳氢化合物组成，其固体部分之间的间隙形成了活性炭材料的孔隙。活性 炭的孔隙结构是指孔隙容积、孔径分布、比表面积和孔的形状。通常把直径 2 0 0 衄的孔隙叫 大孔。不同孔径的孔隙在吸附过程中发挥的作用有所不同。微孔活性炭拥有很大比 表面积，呈现出很强的吸附作用；中孔活性炭用在添载触媒及化学药品脱臭；大孔活 性炭通过微生物及菌类在其中繁殖，就可以使无机的碳材料发挥生物质的功能【l o 】。 1 2 1 2 活性炭的表面性质 活性炭材料在制备过程中由于灰分和其他杂原子的存在，使其结构产生了缺陷 和不饱和键，氧和其他杂原子在活化过程中可以吸附于这些缺陷上，形成了各种官 能团，因而使活性炭材料产生了各种吸附特性。对活性炭材料产生重要影响的化学 官能团主要是含氧官能团和含氮官能团，多种含氧官能团有：酸性官能团、中性官 能团和碱性官能团，这也是活性炭最主要的活性基团，可分为强酸基、弱酸基、酚 羟基、羰基等表面化学性质的不同对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化 特性、电负性质等都产生影响】。 1 2 2 活性炭分类及我国木质净水用活性炭质量标准 活性炭品种达2 0 0 3 0 0 种之多，其种类主要有： 活性炭按原料分有：木质炭、煤质炭、石油沥青炭及其它炭( 纸浆废液、合成 树脂、有机废料、骨、血等) 。 活性炭按制造方法分有：气体活化法炭( 物理炭) 、化学活化法炭( 化学炭) 、 混合活化法炭( 气体、化学活化法并用炭) 。 活性炭按外观形状分有：粉状炭( 粉末炭或粉炭) 、颗粒炭( 定型颗粒炭和不定 型颗粒炭即破碎活性炭) 、纤维活性炭( 纤维状或织物状) ： 活性炭按用途分有：药用炭、味精炭、糖用炭、工业炭、空气净化炭、水处理 炭、催化剂载体炭等。 一般以用途为主分类。目前我国活性炭的原料主要是植物( 占6 0 以上) ，其中 绝大部分是木质原料，少量是汤醛渣( 玉米芯、甘蔗渣) 以及沥青基活性炭。 我国木质净水用活性炭g b t 1 3 8 0 4 1 9 9 9 见下表l 一1 ： 4 表1 1 我国木质净水用活性炭技术指标g b 厂r 1 3 8 0 4 1 9 9 9 指标优级品一级品二级品 碘吸附值，m 窑 1 0 0 09 0 08 0 0 亚甲基蓝吸附值1 ) m i o 1 ( m 眺) 兰8 o ( 1 2 0 ) 7 o ( 10 5 )芝6 o ( 9 0 ) 强度( )9 0 o2 8 5 0之8 5 o 填充密度【咖3 ) 芝0 3 2o 3 2 0 3 2 粒度 2 o o - o 6 3 m m ( 1 0 2 0 目) ( ) 9 0 8 5 芝8 0 h 2 s 0 4 h c l ，用磷酸在较低温度下活化主要得到的为微孔活性炭，在较高温 度活化时，微孔减少而中孔增加。t e n g 等【4 5 】研究了氯化锌活化烟煤，发现氯化锌在 2 5 0 0 的温度下活化的产品平均比一氧化炭在2 9 0 0 的温度下活化的产品的平均孔 径要大，得到的氯化锌活化产品，中孔所占的比例较大。h a y a s h i 等【拍】在用氯化锌和 磷酸活化纤维素炭化物的研究中发现，氯化锌和磷酸当温度低于5 0 0 时活化反应 出现较为明显的效果，当温度升到6 0 0 时所得到的产品具有最大的比表面。 ( 3 ) 微波法。微波法不是独立于物理法和化学法的活性炭制备方法，而是在物 理法和化学法的基础上取替了传统的加热方法，但是其具有极其显著的效果。微波 是指电磁波谱中位于远红外和无线电波之间的电磁辐射，它的频率范围是3 0 0 m h z 到3 0 0 g h z 的电磁波，波长为1 m 到1 m m 【4 7 4 引。微波通过被加热体内部偶极分子高 频往复运动，产生“内摩擦热”而使物料温度升高，不须任何热传导过程，具有高效性、 选择性、非接触性、整体性、均匀性、快速启动与快速停止性、操作方便性i 钾删。 有研究表明，活性炭能有效吸收微波能量而使温度在数分钟内上升至l 1 0 0 【5 。微 波加热在活性炭制备和改性中能产生较好的效果【5 2 1 。微波改性后，许多闭塞的孔被 打开，中孔孔容明显变化，促进了吸附作用的提高。微波功率和辐照时间是决定改 性活性炭吸附性能的关键。关于微波炭化、活化的机理，一般认为，植物性废料主 要是由植物性纤维构成的原料，在植物体内毛细管的作用下，改性溶液被原料整体 充分吸收，充满各纤维间的微细空间，使千原料浸渍湿润后体积膨胀，并发生化学 反应。由于原料中的水、改性溶液构成极性分子，具有强烈吸收微波的介电特性， 因此极性分子随微波频率激烈碰撞摩擦，产生了大量的热，从而使水、改性溶液急 剧挥发，并产生蒸汽压，由原斟内部向外部爆炸般压出。这种急剧的作用，使得原 料的纤维空间在扩大的同时产生急剧干燥，进而形成无数的裂缝与微隙。这样原料 比微波辐射前有更明显的孔隙结构，内部比表面积更大。与传统加热方式相比，微 波在活性炭的制备过程的作用机理完全不同，显示了独特的优势：高效、节能、均 一、有选择性、污染程度小、热效率高能耗小、工艺及设备简单并且占地面积小、 有利于自动化、炭损失小、可回收有用物质。微波辐射制备活性炭还主要处于实验 室研究阶段，较少进行放大性的中试试验研究。这一新领域的许多理论性问题特别 是微波加热机理需要进一步深入研究，需要建立加热过程的数学模型【5 引。 7 梓林理一1 ：人学硕十研究生学位论文 1 2 4 活性炭对溶质的吸附特征 活性炭用于水处理时，溶液中的溶质( 吸附质) 的分子结构、溶解度、离子化程度、 浓度、介质p h 值、溶剂种类等对吸附( 分离) 都有不同程度的影响。一般而言具有下 列各种特点。分子大小相近的芳香族物质比脂防族物质有更大的可吸附性能；带有 支链的物质比直链的具有更大的可吸附性；芳香族的取代基的影响随邻、间、对位 而变化；立体异构体对链烃而言反式的比顺式的可吸附性大，而对芳基带支链的正 好相反；旋光性基本不影响吸附性能；溶解度大的溶质，可吸附性能小，容易离解 的溶质，可吸附性能小，但氢离子除外；对于多溶质的溶液而言，单纯状态下易被 吸附者在混合组分中优先被吸附；当加入某一物质会促进另一物质的溶解时，则另 一种物质的可吸附性能减小，否则增加；低p h 值有利于有机酸的吸附，高p h 值有 利于有机碱的吸附，对于不同的溶质具有不同的最佳p h 值：除了有化学反应以外， 温度升高不利于气( 汽) 体溶质的可吸附性，但对固体溶质则不一定。 1 2 5 影响活性炭吸附性能的主要因素 影响活性炭性能的主要因素有比表面积大小、孔容和孔径分布。比表面积和孔 容大小是影响吸附性能的重要因素。根据国际纯粹化学和化学学会( i u p a c ) 推荐的孔 大小分类：微孔孔径小于2 n m ，中孔孔径小于2 5 0 r l i i l ，大孔的孔径大于5