活性炭在環境保護方面的應用

活性炭作為一種重要的碳素材料，由微晶炭和無定形炭構成，含有數量不等的灰分，是一種黑色多孔固體，孔隙結構發達，具有巨大的比表面積和超強的吸附能力，比表面積一般可高達1000-3000m2/g，對氣體、溶液中的無機或有機物質及膠體顆粒等都有很強的吸附能力。作為一種性質優良的吸附劑，活性炭具有獨特的孔隙結構和表面活性官能團，化學性質穩定，機械強度高，耐酸、耐堿、耐熱，不溶于水和有機溶劑，使用失效后可以再生，廣泛地應用于環保、化工、食品加工、濕法冶金、藥物精制、軍事化學防護等各個領域，已經成為國民經濟和國防建設以及人們日常生活必不可少的重要產品。隨著世界范圍內工業技術的快速發展，近年來環境污染日益嚴重。而活性炭在治理環境污染方面則越來越顯示出誘人的前景。在環境保護領域，活性炭已經成為一種極其重要的吸附劑，被廣泛用于污水處理、大氣污染防治等各個方面。 一、水處理 水處理是環境保護的重點。發達國家水處理方面的活性炭用量占其總用量的40%左右。我國雖然有11萬t的產量，但出口7萬t，真正用于國內環境保護的活性炭用量最多只有生產量的1/10左右。活性炭在水處理方面的最早應用是美國于1932年底開始的，用于芝加哥的自來水處理，并很快在各地自來水廠普及。然后又推廣到工業用水、城市下水和工業廢水處理等方面。 （1）上水處理 水質標準最嚴格的是飲用水和上水源水。它對水中的微量有毒成分、pH、大腸桿菌、生物耗氧量、臭味等都有相應的嚴格要求。自來水用活性炭處理，可以除去有機雜質、各種臭味，這比用氯和漂白粉處理好，它不會造成含氯碳氫化合物(如氯甲烷)的形成。此外，活性炭處理自來水不會導致Ca、Mg的損失。隨著科技的進步，人們對飲用水的質量要求越來越嚴格。原來指標意義上的城市自來水已經不適合人類飲用，越來越多的國家和地區已對自來水的經營企業做出更加嚴格的規定，例如美國就嚴格規定，城鎮自來水廠如不采用活性炭處理就不準賣水。我國絕大多數城市飲用水達不到世界衛生組織規定的標準，其主要原因就是我國的自來水供給行業受成本限制，在水處理過程中只采用了少量活性炭或根本不用活性炭。 （2）工業用水的處理 工業用水因使用目的不同而有不同的標準。高純度水主要應用于電子工業、化學工業、醫藥工業。無論采用何種方法獲得高純度水，活性炭處理必然是不可缺少的一個環節。活性炭處理主要是除去有機物、膠質、農藥殘留物、游離氯、致“熱原”和少量的二氧化碳和氧等氣體。(去除氣體對高壓或臨界狀態運行的發電鍋爐尤為重要)   （3）城市居民生活污水的處理 隨著人類文明的進步和經濟的發展，城市化進程必然加速，這就使城市居民生活污水污染水源的問題變得尤為嚴重。為了治理城市居民生活污水，一般采用“二級”或“三級”處理，活性炭通常用于三級處理中的第三級處理，經過三級處理的水質可達到總有機碳含量＜5mg/L，高錳酸鹽指數＜10mg/L，從而大大減輕對環境的破壞程度。 城鎮污水處理 （4）工業廢水的處理 工業廢水的處理是環境保護的重大課題之一。由于工業企業的門類很多，不同工廠企業生產的產品不同，工業廢水的水量和所含污染物也千差萬別，但絕大多數都有毒害作用。工業廢水處理通常也分為“二級”和“三級”處理。工業廢水處理凈化后，不僅能防止對江河湖海的污染，同時可以回收部分有用物質，可以部分或全部將生產用水回用，對能源和資源都是莫大的節約。特別是對嚴重缺水的國家和地區尤為值得重視。活性炭吸附法作為工業廢水深度處理的一種重要方法或環節，絕大多數用在第三級，但也有少量用于只有二級處理的第二級。　   二、氣體污染防治 （1）室內空氣污染的防治 人們的日常生活，如居室、廚房、廁所以及公共場所等，由于人們的生活活動，都會給自己的生活小環境的空氣帶來一定程度的污染。其污染物主要是少量的H2S、SO2、CO、CO2、氮氧化物、NH3、居室裝潢的揮發性溶劑、油煙及汗酸臭味等等。采用活性炭吸附過濾法最為合適，通常是用活性炭過濾和空調、換氣設備聯用的方法。建議研制吸附性能好、流體阻力小的活性炭制品，嵌裝在空調或換氣設備(吸排油煙)的氣體入口位置，可能會收到理想效果，如能加上定期更換的服務定會大受歡迎。 室內空氣污染防治 （2）煙氣脫硫 煤和石油的使用都造成硫的排放，由其引起的全球的硫污染已經成為大氣污染防治的一個重要內容。我國70%的能源來自燃煤，硫已經成為我國大氣污染的主要污染源。據國家有關部門的統計，我國絕大部分大中城市和近三分之一的國土都受到酸雨的危害，有個別城市酸雨的pH已達到4。防治酸雨已成為我國環境保護的緊迫內容。要治理硫的污染有兩條路可選：一是盡可能采用含硫低或不含硫能源，二是煙氣脫硫。煙氣脫硫目前有3種技術路線：石灰乳中和、高壓電場氧化和活性炭脫硫，其原理如下： Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2， 2SO2+O2（高壓電廠或活性炭）→2SO3， SO3+2H2O→H2SO4， 2H2S+O2→2S+2H2O。 3種方法各有利弊，石灰乳中和法具有上馬快、易操作的優點，但生成物為亞石膏，二次處理只能摻入做水泥，硫元素沒有很好利用；高壓電場法具有設備簡單、硫利用好，這是近年來才研究成功的方法，所得稀硫酸加氨水中和生成硫酸銨作為肥料，但硫化氫脫除有一定困難；活性炭脫硫國內外均比較成熟，而且可以脫除SO2、H2S和有機硫。國外大型煙氣脫硫(如電廠脫硫)和國內化肥廠的合成氣脫硫大多采用活性炭脫硫工藝。   有研究表明：活性炭脫硫率與活性炭表面含氧基團有關，主要與“=Ｃ=Ｏ”(烯酮基)有關。此外，活性炭擔載氧化鋁、硫酸錳、水楊酸和胺基可提高煙氣脫硫能力。 （3）汽車尾氣污染防治 研究表明：汽車已經成為城市空氣的重要污染源之一，據測定，汽車燃油揮發物造成的污染占汽車總污染的30%-40%，占尾氣排氣污染的60%-70%。燃油揮發物和排氣中的碳氫化合物在紫外線照射下會造成光煙霧污染。此外燃油的揮發既浪費了能源，也給司機和乘客帶來了不愉快的氣味。發達國家，如美、日、西歐各國早在20世紀70年代就用活性炭吸附的燃油蒸發控制裝置(ELCD)來解決這一問題。我國近年來也正在進行這方面的研究開發。   三、活性炭應用展望 預測本世紀活性炭的用途主要還是水處理方面，但是使用活性炭的國家將從發達國家轉向一些較發達國家，如阿根廷、巴西和墨西哥等國。預計2003年，世界活性炭產量在現有基礎上將再增加12萬ｔ，發達國家的增長速率可達4%，而發展中國家可能達到10%。活性炭價格也會穩中有升。可以預料由于工業的蓬勃發展，世界人口的增長、生活條件的改善、環境保護意識的加強以及水資源的緊缺，都將刺激活性炭工業的發展，深加工活性炭、高檔活性炭將會有更大的市場。隨著生活條件的改善、環境保護意識的加強以及水資源的緊缺，都將刺激活性炭工業的發展，深加工活性炭、高檔活性炭將會有更大的市場。