活性炭吸附法处理重金属废水

    重金属废水是一种具有强毒性、致癌性、致突变性、难降解及易富集等特性的废水，一直以来都是废水治理的难点。目前，用于治理重金属废水方法主要有混凝、化学沉淀、溶剂萃取、离子交换、电解、吸附、膜分离、电透析和基因工程等物理、化学和生物方法。传统的处理方法如混凝、化学沉淀、溶剂萃取等尽管工艺较为成熟、简单，但存在成本高、治理不彻底、存在二次污染等问题，而离子交换、电解膜分离、电透析和基因工程等新兴的重金属废水处理方法又存在能耗高、设备投资费用高、难以实现工业大规模、连续化操作、技术尚不成熟等问题。活性炭吸附法以其操作简单、成本低、处理效果好、可避免其它方法成本高、处理不彻底且不存在二次污染等特点，无疑被视为处理重金属废水的首选方法之一。

    活性炭作为一种比表面积高、孔容大、孔径分布可控、表面化学性质可调、高吸附容量、稳定的物理化学性质和高机械强度的吸附剂，可针对重金属离子物理化学性质以及所处化学环境的不同，对活性炭的物理结构和表面化学性质进行有针对性的调控，以实现活性炭对废水中重金属的快速、高效吸附。活性炭作为一种优良的吸附剂，在处理中重金属废水方面表现出以下六个优点：

    (1)无需添加任何氧化剂、絮凝剂等化学试剂；

    (2)吸附容量大，处理效果好；

    (3)对重金属离子的吸附稳定性好、选择性高；

    (4)可与难被自然界微生物降解的重金属离子一起填埋，防治再次污染水体，不存在二次污染问题；

    (5)占地少，成本低，操作简单灵活；

    (6)活性炭可经再生后循环使用，同时实现对重金属的回收。

    影响活性炭吸附处理重金属废水的因素

    1、活性炭的选择及预处理

    根据处理的重金属废水成分及含量的不同，选择合适比表面积、孔径分布、孔容以及表面化学性质的活性炭，以确保该类型活性炭对重金属废水有较好的处理效果。此外，有时受重金属废水自身物化特性的限制以及为达到废水排放标准，活性炭往往需要经过预处理，如对活性炭进行氧化改性，增加活性炭表面含氧官能团数量，以增强活性炭的亲水性和对重金属离子的选择性吸附能力，同时还可进一步提供活性炭对重金属离子的化学吸附容量以及吸附的稳定性。

    2、废水的pH值

    由于废水的pH值对重金属离子的存在形态和价态影响较大，在不同的pH下，大多数重金属离子易与废水中阴离子以及水分子形成配位数不同的配合物，导致重金属离子的水化半径也存在较大差异，当离子的水化半径较大时，重金属配合物难以进入活性炭内的微孔，从而直接影响活性炭对重金属离子的吸附效果。此外，当废水pH过高时，大部分重金属离子会以沉淀的形式析出。因此采用活性炭吸附法吸附处理重金属废水时应在合适的pH范围内进行吸附。

    3、停留时间

    活性炭在吸附柱内对重金属废水的动态吸附过程往往与废水组成、流量等条件有关，且应保证重金属废水在吸附柱内有足够长的停留时间，以确保其较高的去除率。但停留时间有不宜过长，否则会影响活性炭吸附处理流程的连续化操作并大幅度减少其处理容量。重金属离子在活性炭上的吸附，无论是属于物理吸附、化学吸附或是离子交换吸附，尽管在吸附速率上有所不同，但在实际吸附过程中，都难以达到热力学上的吸附平衡，只能尽可能接近动力学意义上的动态平衡。因此，重金属离子与活性炭之间的接触时间，应在保证出口水质达到排放标准的前提下，尽可能缩短，以确保吸附柱在较大废水处理量下的连续化操作。

    4、活性炭用量

    活性炭用量应根据废水组成、流量等相匹配，找到最佳用量，以保证活性炭吸附柱在最佳工况下运行。若活性炭用量过大，则需增加吸附柱的操作压力，且浪费吸附剂，是不经济合理的；反之，若活性炭用量不够，则会使吸附效果下降，吸附柱出水浓度难以达到工业排放标准。此外，对活性炭进行恰当的预处理后可以在一定程度上减少活性炭的用量。

    5、吸附柱的运行条件

    当吸附柱及活性炭选择设计好后，应反复多次运行调试吸附柱，以确定吸附柱的最佳运行条件，包括吸附柱进出口废水的流量、活性炭填装高度、吸附柱操作压力等。实验发现随着六价铬离子溶液进口流量的增大，其穿透时间变短，传质锋面变平缓且吸附效果明显变差，因此在实际操作中应综合考虑穿透时间和活性炭对重金属离子的去除效果来选择合适的进口流量。

    活性炭吸附重金属离子的机理：

    活性炭对重金属离子的吸附机理目前尚无明确的说法，通常有以下四种机理：

    一是：活性炭表面官能团与重金属离子发生质子或离子交换；

    二是：活性炭表面官能团与重金属离子之间发生络合反应，在活性炭表面形成复杂、稳定的络合物；

    三是：自发的氧化还原反应或活性炭与重金属离子之间发生电荷转移；

    四是：金属离子与活性炭微晶π电子之间的静电相互作用。

    除了活性炭高比表面积、发达的孔隙结构和大的孔容积外，活性炭表面稳定且可调控、改变的含氧和含氮官能团的存在，使得活性炭对重金属离子的化学吸附成为决定活性炭吸附重金属离子容量大小的关键因素。

    结论：

    在采用活性炭处理重金属废水之前，应先在了解重金属废水物化特性的基础上，综合考虑影响活性炭吸附重金属离子吸附效果的五大因素，对处理的重金属废水进行反复实验以确定最佳工艺条件，必要时可依据活性炭对重金属离子的吸附机理有目的性的对所使用的活性炭进行改性处理或是调整工艺参数，以求达到最佳处理效果。同时还应考虑活性炭的再生和重金属的回收问题，以降低处理成本并获得最大的经济效益。

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