活性炭水處理畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1 引言2</p><p>　　1.2 國內(nèi)外水處理研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1 工業(yè)廢水的一般處理方法3</p><p>　　1.3 我國多功能水處理劑的研究現(xiàn)狀4</p><p>　　

2、1.3.1發(fā)展概況4</p><p>　　1.3.2存在的問題5</p><p><b>　　1.3.3結(jié)論5</b></p><p>　　1.4 美國水處理化學(xué)品市場現(xiàn)狀5</p><p>　　1.4.1美國水處理化學(xué)品市場概況5</p><p>　　1.4.2水處理化學(xué)品的現(xiàn)狀6

3、</p><p>　　1.4.3水處理化學(xué)品發(fā)展的方向6</p><p>　　1.4.4新型合成水處理化學(xué)品的開發(fā)6</p><p>　　1.4.5水處理化學(xué)品間的復(fù)配增效技術(shù)研究7</p><p>　　1.4.6水處理化學(xué)品的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及與其性能的相關(guān)性研究7</p><p>　　1.4.7多功能水處理化

4、學(xué)品的研究8</p><p>　　1.5 重金屬廢水的來源和危害10</p><p>　　1.5.1重金屬廢水來源10</p><p>　　1.5.2重金屬廢水危害11</p><p>　　1.5.3重金屬廢水污染的特點(diǎn)12</p><p>　　1.5.4重金屬廢水處理方法12</p>&l

5、t;p>　　1.6 活性炭纖維概述13</p><p>　　1.6.1活性炭纖維及其應(yīng)用研究進(jìn)展13</p><p>　　1.6.2?。粒茫频膽?yīng)用14</p><p>　　1.7 研究目的意義及內(nèi)容16</p><p>　　1.7.1研究的目的和意義16</p><p>　　1.7.2研究內(nèi)容16

6、</p><p>　　2 活性碳纖維16</p><p>　　2.1 結(jié)構(gòu)特征17</p><p>　　2.2 表面化學(xué)結(jié)構(gòu)17</p><p>　　2.3 活性碳纖維與活性碳的比較18</p><p>　　2.4 粒狀活性碳與活性碳纖維過濾器性能對比20</p><p>　　

7、2.4.1粒狀活性碳過濾器及活性碳纖維過濾器20</p><p>　　2.4.2活性炭纖維的特點(diǎn)21</p><p>　　2.5 粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器的性能對比23</p><p>　　2.5.1兩種過濾器對水的過濾23</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)材料與方法24</p><p>　　3.1

8、 活性炭纖維處理甲苯廢水的試驗(yàn)24</p><p>　　3.2 活性碳纖維對含酚類廢水的處理實(shí)驗(yàn)29</p><p>　　3.3活性炭吸附法處理含重金屬廢水31</p><p>　　3.4活性炭纖維對水中重金屬離子的吸附研究33</p><p>　　3.4.1實(shí)驗(yàn)部分34</p><p>　　3.4.2實(shí)驗(yàn)方

9、法34</p><p>　　3.4.3結(jié)果與討論34</p><p>　　4 性能測試（X射線衍射物相分析）36</p><p>　　5 再生式廢水處理塔的設(shè)計(jì)43</p><p><b>　　6 致謝51</b></p><p><b>　　7參考文獻(xiàn)52</b>

10、;</p><p><b>　　1． 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　我國水資源缺乏，人均水資源只有世界平均水平的四分之一，被聯(lián)合國列為13個貧水國之一。水資源緊缺問題已經(jīng)制約了國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，雖然這些年來我國一直強(qiáng)調(diào)節(jié)約用水，但各地的用水量和排水量仍不

11、斷增長，水污染也不斷加劇。因此，開展廢水回用工作，已經(jīng)迫在眉睫。缺水和環(huán)保已成為制約高耗水、多污染石化企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。近年來隨著人類環(huán)保意識的不斷提高，對于生存的環(huán)境，特別是對空氣、水等凈化密切相關(guān)的活性炭等環(huán)保材料的性能要求越來越高，外排廢水回用作循環(huán)冷卻水裝置的研究及探索新的多功能水處理劑材料就具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　工業(yè)水處理是一門介于應(yīng)用化學(xué)、能源利用、水資源利用和環(huán)境保護(hù)之間的

12、邊緣學(xué)科。他研究的是工業(yè)用水的預(yù)處理，用水的深層次凈化（軟化和除鹽）處理，循環(huán)冷卻水處理和工業(yè)生產(chǎn)污水的處理技術(shù)。工業(yè)水處理對于確保工業(yè)生產(chǎn)地安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，防止事故發(fā)生，節(jié)能降耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善工業(yè)生產(chǎn)和周圍居民生產(chǎn)生活環(huán)境等，有著十分明顯的作用和貢獻(xiàn)。</p><p>　　工業(yè)水處理可以分為工業(yè)用水處理（也有人稱為工業(yè)給水處理）和工業(yè)廢水處理。工業(yè)用水處理就是將水質(zhì)處理到能滿足企業(yè)內(nèi)部不同的工藝、不同設(shè)備對

13、水質(zhì)的需求，保證企業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。比如鍋爐要求提供純水或軟化水；電子工業(yè)要求使用純水并去除水中的微粒；食品工業(yè)要求水能符合相應(yīng)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)；密閉式冷卻水系統(tǒng)，則要求水為清水、軟化水或純水。如果達(dá)不到這種要求，則會對產(chǎn)品、設(shè)備產(chǎn)生一系列的危害。所以，現(xiàn)代的工業(yè)企業(yè)，都非常重視用水的水質(zhì)及相應(yīng)的水處理工作，因此它是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、保證設(shè)備的重要條件。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外水處理研究現(xiàn)狀&

14、lt;/p><p>　　1.2.1 工業(yè)廢水的一般處理方法</p><p>　　工業(yè)廢水治理方法，一般可分為物理法、生物化學(xué)法、物理化學(xué)法及化學(xué)法。</p><p>　?、盼锢矸?只要是利用物理原理和機(jī)械作用對廢水進(jìn)行治理，故也稱機(jī)械法，其中包括沉淀，均衡調(diào)節(jié)，過濾及離心分離等方法。</p><p>　?、莆锢砘瘜W(xué)法 通過物理化學(xué)過程來

15、處理廢水以除去污染物質(zhì)的方法。主要有吸附、浮選、反滲透、電滲析、超聲波及超吸附等方法。</p><p>　　⑶化學(xué)法 通過施用化學(xué)試劑或采用其他化學(xué)手段進(jìn)行廢水處理的方法，如中和、氧化、還原、離子交換等。</p><p>　?、壬锘瘜W(xué)法 是利用微生物的作用，去除廢水中的溶膠物質(zhì)及有機(jī)物質(zhì)的方法。包括活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法、生物濾池法以及厭氣處理方法。</p><p

16、>　　對于一定的工業(yè)廢水，往往要進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)、比較，才能確定出有效、經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。有時(shí)要選用不同的方法進(jìn)行組合處理，才能取得滿意的效果。</p><p>　　廢水處理也可分為一級處理，二級處理和三級處理。</p><p>　　一級處理主要是解決懸浮固體、膠體懸浮油類等污染問題，常用物理方法和中和法；二級處理主要是解決溶解在水中的有機(jī)物及部分懸浮固體的污染問題，經(jīng)常采用生物處理法

17、；三級處理為廢水的深度處理，主要是解決難以分解的有機(jī)物和無機(jī)物，使水質(zhì)達(dá)到排放和回用要求。常用的處理方法有活性炭吸附、離子交換、反滲透等方法。經(jīng)過三級處理后，水質(zhì)基本上可以達(dá)地面水標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　1.3 我國多功能水處理劑的研究現(xiàn)狀</p><p>　　水處理劑是工業(yè)用水、生活用水、廢水處理過程中必須使用的各種化學(xué)藥劑的總稱。主要用于控制水垢、污泥的形成,減少水相材料的腐蝕,

18、除去水中的懸浮固體和有害物質(zhì)、除臭脫色、軟化和穩(wěn)定水質(zhì)等。用化學(xué)法對工業(yè)廢水進(jìn)行處理主要是在水處理系統(tǒng)中投加絮凝劑、緩蝕劑、殺菌劑等多種藥劑,但是多種藥劑投加,會使處理工藝流程復(fù)雜,設(shè)備增多,藥劑費(fèi)用昂貴,操作過程復(fù)雜化,有時(shí)甚至?xí)蚨喾N試劑的投加而互相拮抗,從而降低藥劑的效果,故研究一種水處理劑,它兼具有兩項(xiàng)或多項(xiàng)功能,就顯得非常重要。近20年來,一類具有一劑多效,兼有絮凝、緩蝕、殺菌等多功能水處理劑的研究和開發(fā)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,用

19、此類藥劑對工業(yè)廢水進(jìn)行處理,處理后的廢水不僅能達(dá)到合乎排放標(biāo)準(zhǔn),而且在水處理過程中能夠減緩其對金屬設(shè)備、管道腐蝕、抑制細(xì)菌滋生和殺滅細(xì)菌,對多功能水處理劑的研究,具有重要的理論意義與重大的應(yīng)用價(jià)值,對促進(jìn)我國的水處理工業(yè)與環(huán)境治理,保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著積極的推動作用。</p><p>　　一.我國多功能水處理劑的發(fā)展概況及存在問題</p><p><b>　　1.3.1

20、發(fā)展概況</b></p><p>　　多功能水處理劑是水處理劑研究的一個重要方面,它的研究內(nèi)容豐富,進(jìn)展也較快,它是通過藥劑的一次投加來實(shí)現(xiàn)廢水的多方面處理,拓寬了水處理劑的生產(chǎn)和應(yīng)用范圍,對化學(xué)法處理工業(yè)廢水的發(fā)展有重大的促進(jìn)作用。</p><p>　　除CG-A外,新研制的多功能水處理劑有CG-A3、CMT-A2等,這些藥劑在模擬油田含油質(zhì)水處理及工業(yè)水處理的應(yīng)用效果顯示它

21、們既有優(yōu)良的絮凝凈化效果,又有抑制腐蝕特點(diǎn)是點(diǎn)蝕的作用,有些還具有優(yōu)良的阻垢性能。</p><p>　　絮凝-殺菌劑、絮凝-殺菌-緩蝕劑的研究開發(fā)也取得了一定的成果,據(jù)報(bào)道此類藥劑能有效吸附水中微細(xì)顆粒和細(xì)菌,從而能較好地富集細(xì)菌于底泥中。由于底泥中既富集了細(xì)菌,又濃縮了殺菌成分,因此有利于細(xì)菌的集中捕殺。從1987年開始,進(jìn)行了F691的陰離子改性天然高分子的研究工作,研制開發(fā)出的絮凝-殺菌劑CG-C,用它進(jìn)行

22、水處理絮凝實(shí)驗(yàn)時(shí),具有電荷中和與吸咐架橋的雙重作用,且有利于細(xì)菌的集中捕殺,有其良好的應(yīng)用前景。近年來,進(jìn)行了天然高分子改性的氮雜環(huán)季銨鹽水處理劑的研究開發(fā),已取得了初步成果,如絮凝-緩蝕-殺菌劑FQA-C,在機(jī)理研究方面,取得了開拓性進(jìn)展,如提出了絮凝-雙成膜緩蝕模型,漸減絮凝-漸增殺菌協(xié)同機(jī)理模型,該模型的絮凝組分屬于陰離子型的高分子絮凝劑,與聚合氯化鋁配伍時(shí)能取得很好的絮凝效果,這都為今后開發(fā)多功能水處理劑打下了基礎(chǔ)。</p

23、><p>　　1.3.2存在的問題</p><p>　　(1)開發(fā)的藥劑品種不多。我國雖然在天然高分子多功能水處理劑方面已取得了較大突破,但在合成高分子水處理劑方面,無消息報(bào)道。</p><p>　　(2)研究多功能水處理劑的基礎(chǔ)理論比較薄弱。例如對藥劑的絮凝、緩蝕、殺菌作用機(jī)理、不同組分之間的協(xié)同效應(yīng)等研究不夠。</p><p>　　(3)陽離

24、子聚丙烯酰胺應(yīng)該是重點(diǎn)發(fā)展的合成高分子藥劑,特別是多功能陽離子聚丙烯酰胺更是我國水處理工業(yè)中急需的水處理劑,在國內(nèi)尚屬空白。</p><p><b>　　1.3.3結(jié)論</b></p><p>　　(1)在不斷提高、完善現(xiàn)有品種的生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)開發(fā)國內(nèi)空白又屬需求的新品種。吡啶季胺鹽型陽離子聚合物是將4-乙烯基吡啶與丙烯酰胺進(jìn)行共聚合,然后使用季胺化試劑作用,

25、使吡啶環(huán)正離子化,這樣制得的共聚物不僅實(shí)現(xiàn)了聚丙烯酰胺的陽離子化,而且又將氮雜環(huán)季胺鹽引入高分子之中,是一種新興的多功能水處理劑。</p><p>　　(2)要獲得高分子量和低單體含量的多功能水處理劑,尋找合適的引發(fā)劑和改進(jìn)聚合方法是關(guān)鍵的問題。</p><p>　　(3)加強(qiáng)理論研究努力開發(fā)新型儀器、設(shè)備、分析監(jiān)測等配套產(chǎn)品。</p><p>　　(4)多功能水處

26、理劑是水處理藥劑研究的一個重要方面,它的研究內(nèi)容豐富、進(jìn)展快,對化學(xué)法處理工業(yè)水的發(fā)展有重大促進(jìn)作用。</p><p>　　1.4 美國水處理化學(xué)品市場現(xiàn)狀</p><p>　　1.4.1美國水處理化學(xué)品市場概況　　</p><p>　　水處理化學(xué)品市場由市政水處理市場和工業(yè)水處理市場組成。市政水處理市場包括飲用水和城市廢水處理;工業(yè)水處理市場包括冷卻水和蒸汽發(fā)電

27、廠、商業(yè)/公共機(jī)構(gòu)的建筑、設(shè)備用水以及工廠排放廢水的處理。　　</p><p>　　專用水處理化學(xué)品是指活性炭、離子交換樹脂、有機(jī)聚合物絮凝劑和緩蝕劑、阻垢劑、殺生劑、消泡劑、燃燒助劑等配方化學(xué)品?！　?lt;/p><p>　　各種水處理化學(xué)品的主要作用是抑制垢、污泥和粘泥生成;減少泡沫;降低與水接觸材料的腐蝕;控制ｐＨ;除去懸浮固體(澄清);除去顏色和臭味;軟化和礦化水。</p>

28、<p>　　1.4.2水處理化學(xué)品的現(xiàn)狀</p><p>　　在工業(yè)冷卻水中,為了控制腐蝕、結(jié)垢及微生物黏泥等而添加的化學(xué)品稱為水處理化學(xué)品或水處理劑,習(xí)慣上也稱為水質(zhì)穩(wěn)定劑。水處理技術(shù)在發(fā)展的初期和中期,添加的水處理化學(xué)品一般都是簡單的無機(jī)化合物,如石灰、二氧化碳、硫酸、氯氣、磷酸鹽等。這些無機(jī)化合物大都是工業(yè)原料,價(jià)廉而易得。然而,單純使用無機(jī)化合物,水處理效果受到一定的限制,因此,在生產(chǎn)上就逐

29、步地發(fā)展成和某些天然的有機(jī)化合物復(fù)合使用來達(dá)到水質(zhì)控制的目的。如單寧、淀粉、木質(zhì)素等都是很早就使用的天然有機(jī)水處理化學(xué)品。</p><p>　　20世紀(jì)60年代初,為了有效地達(dá)到緩蝕、阻垢和殺菌的目的,更好地控制排污水所造成的污染和公害,逐步發(fā)展和使用了新型的有機(jī)緩蝕劑、有機(jī)阻垢劑和有機(jī)殺菌劑?？偟内厔菔窃絹碓蕉嗟臒o機(jī)化合物逐步被有機(jī)化合物所取代,某些無機(jī)水處理化學(xué)品往往也只有和有機(jī)水處理化學(xué)品復(fù)合使用才更有效。

30、目前,合成和新發(fā)展的有機(jī)水處理化學(xué)品都是合成產(chǎn)物,而且?guī)缀跻淹耆媪嗽瓉響?yīng)用的天然有機(jī)化合物。許多行之有效的合成表面活性劑也逐漸被應(yīng)用到水處理領(lǐng)域,作為殺菌滅藻的水處理化學(xué)品和污泥剝離水處理化學(xué)品。</p><p>　　目前,國內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)大都采用磷系復(fù)合配方,其主要優(yōu)點(diǎn)是無毒和使用濃度較低,然而磷系緩蝕阻垢劑可以充當(dāng)水中細(xì)菌和藻類的營養(yǎng)成分,引起水源的富營養(yǎng)化。隨著社會的進(jìn)步和人類環(huán)保意識的增強(qiáng),只有那些

31、沒有污染或能很快被生物降解、價(jià)格又很低廉的高效綠色水處理化學(xué)品,才是受人們歡迎的真正的新型水處理化學(xué)品。</p><p>　　1.4.3水處理化學(xué)品發(fā)展的方向</p><p>　　應(yīng)該指出,水處理化學(xué)品的發(fā)展絕不是孤立進(jìn)行的。它與機(jī)理的研究、合成工藝與測試方法的變革,甚至分子設(shè)計(jì)理論等方面的發(fā)展密切相關(guān),相互促進(jìn)。水處理化學(xué)品要能在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用,必須考慮水處理化學(xué)品的污染問題和成本問題

32、。只有那些沒有污染或能很快被生物降解、價(jià)格又很低廉的高效多功能水處理化學(xué)品(如陽離子改性單寧具有阻垢、緩蝕、絮凝等多種功能)才是受人們歡迎的真正的新型水處理化學(xué)品。因此,可以預(yù)計(jì),不久將有更多的、更有效的環(huán)境友好型的新型緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑,污泥剝離劑被開發(fā)出來并得到更廣泛的應(yīng)用。今后水處理化學(xué)品的發(fā)展可能有如下動向。</p><p>　　1.4.4新型合成水處理化學(xué)品的開發(fā)</p><p&

33、gt;　　新型水處理化學(xué)品研究的方向主要有兩個方面:一是研制性能更好的緩蝕劑、阻垢劑、污泥剝離劑、殺菌劑或清洗劑;二是合成兼具以上兩種或多種性能的水處理化學(xué)品。這兩個方面的探討重點(diǎn)都在有機(jī)化合物方面,這是因?yàn)槟壳暗挠袡C(jī)合成水平已經(jīng)基本上能夠設(shè)計(jì)和合成出理想的具有特定結(jié)構(gòu)的新型有機(jī)化合物,從而有希望篩選出合乎理想的、適合于水質(zhì)控制以及廢水處理的新型水處理化學(xué)品。</p><p>　　以合成的產(chǎn)品代替天然產(chǎn)物,或以化

34、合物代替混合物,或是對產(chǎn)品規(guī)格提出更高、更嚴(yán)格的要求是新型水處理化學(xué)品的方向。應(yīng)用于水質(zhì)控制的水處理化學(xué)品,現(xiàn)在有一些仍然還是天然產(chǎn)物,有些水處理化學(xué)品的組成并不十分嚴(yán)格,因而它們的性能和效果也就不十分穩(wěn)定。例如:淀粉、木質(zhì)素、栲膠(含單寧的天然產(chǎn)物)曾長期作為阻垢分散劑使用。這些天然產(chǎn)物的組成不穩(wěn)定,效果也不同,已逐漸被人工合成的有機(jī)化合物所代替。某些水處理化學(xué)品雖然是化工廠的合成產(chǎn)品,但它們實(shí)際上是混合物,高分子聚合物都是不同相對分

35、子質(zhì)量的混合物。具有最佳阻垢作用的,往往僅為一定相對分子質(zhì)量范圍內(nèi)的產(chǎn)品。隨著對緩蝕阻垢機(jī)理的深入研究,就有可能對這些產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量提出確切的要求。另外,有機(jī)合成工業(yè)的發(fā)展已有可能在合成生產(chǎn)過程中控制聚合物相對分子質(zhì)量的大小,因而能獲得更為理想的產(chǎn)品來滿足水質(zhì)控制的嚴(yán)格要求。</p><p>　　1.4.5水處理化學(xué)品間的復(fù)配增效技術(shù)研究</p><p>　　目前,使用的水處理藥劑幾乎

36、都是具有不同功能水處理化學(xué)品的復(fù)合產(chǎn)品。這主要是因?yàn)槊糠N水處理化學(xué)品都有一定的局限性,同時(shí)也是為了充分地利用各種水處理化學(xué)品之間的協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合配方不僅在目前而且在今后一個相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)都是非常重要的。但是,復(fù)合配方對各種水處理化學(xué)品組分的要求也將日益嚴(yán)格,配方的組成應(yīng)盡可能簡化。</p><p>　　華東理工大學(xué)霍宇凝等對聚天冬氨酸與氧化淀粉復(fù)配物的阻垢性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:復(fù)配物阻垢性能較單純的聚天冬氨酸

37、優(yōu)異,可適用于高鈣、高pH、高溫的水系統(tǒng)中,并可在水系統(tǒng)中長時(shí)間停留。在冷卻水系統(tǒng),鋅鹽(ZnSO4)是一種常用的單劑,其和鉻酸鹽等鈍化膜型緩蝕劑以及多元膦酸、聚羧酸等有機(jī)緩蝕劑復(fù)配使用可以降低它們的使用量,并可以防止磷酸鹽、硅酸鹽和硫酸鹽使用量過多而生成的沉淀。通過對緩蝕劑復(fù)配增效機(jī)理的研究,可以降低對環(huán)境毒性大的緩蝕劑使用量,一定程度上減輕它們的危害性。目前國內(nèi)外都在致力于開發(fā)采用多元羧酸、羥基羧酸、不飽和羧酸、含磺酸基高分子共聚物

38、、氨基酸和多糖等單劑的全有機(jī)系復(fù)合水處理藥劑。</p><p>　　1.4.6水處理化學(xué)品的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及與其性能的相關(guān)性研究</p><p>　　有機(jī)水處理化學(xué)品具有相對分子質(zhì)量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)往往是它們所以能具有緩蝕、阻垢和殺菌性能的內(nèi)在因素。一個化合物的性能和它的結(jié)構(gòu)之間具有必然的聯(lián)系。因此要設(shè)計(jì)和選用新型的有機(jī)水處理化學(xué)品,它的結(jié)構(gòu)問題是首先必須考慮的重要問題

39、。</p><p>　　事實(shí)上,過去從有機(jī)化合物中篩選合適的水處理化學(xué)品時(shí),已經(jīng)利用了有機(jī)化合物可以衍生而使結(jié)構(gòu)變化從而改變其性能的特點(diǎn)。例如,常在酸性溶液中使用的許多胺類水處理化學(xué)品看來似乎結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,但實(shí)際上它們與十八胺的結(jié)構(gòu)有共同之處,同屬胺類。其中的氮原子大多具有堿性。就結(jié)構(gòu)不同的個別化合物而言,其烴基基團(tuán)的不同(可大,可小,可簡單,可復(fù)雜)使各個化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生差異。作為緩蝕劑,它們不同

40、的溶解性能和表面活性決定了它們的應(yīng)用特點(diǎn)和適用范圍。水處理化學(xué)品研究工作者就是通過掌握分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)變化之間的規(guī)律,設(shè)計(jì)不同的分子結(jié)構(gòu),獲得不同性質(zhì)的化合物。在聚羧酸鹽的開發(fā)中也可以找到相似的例子。較早發(fā)現(xiàn)了具有良好阻垢作用的聚丙烯酸,以后又從類似的結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了聚馬來酸,在某些情況下它具有更好的阻垢作用。更進(jìn)一步改變聚羧酸的結(jié)構(gòu),利用馬來酸的反式異構(gòu)體富馬酸(反丁烯二酸)與丙烯磺酸鈉共聚,這就使所得到的共聚物不僅具有磺酸鈉基團(tuán)—SO3N

41、a,而且羧基也并不完全在分子的一側(cè)。這種高分子共聚物據(jù)報(bào)道兼具阻垢和緩蝕雙重作用。</p><p>　　1.4.7多功能水處理化學(xué)品的研究</p><p>　　開發(fā)具有緩蝕、阻垢和殺菌三種性能中的兩種或全部性能的新型水處理化學(xué)品一直是水處理化學(xué)品研究工作者的努力方向。事實(shí)上已經(jīng)使用的水處理化學(xué)品中就有不少這種情況,如水解聚馬來酸酐就是一種。又例如季銨鹽也兼具緩蝕和殺菌的作用。有機(jī)磷酸鹽也兼

42、有緩蝕與阻垢的性能。有人進(jìn)一步把以上兩類化合物的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,探索它們是否具有更多樣化的性能。如將EDTMP的結(jié)構(gòu)變成高分子的季銨鹽形式。如:</p><p>　　這個化合物既具有原來EDTMP的多元膦酸形式,又具有季銨鹽的結(jié)構(gòu),是高分子化合物,因此原設(shè)計(jì)者預(yù)計(jì)其可能具有緩蝕、阻垢和殺菌的特性。據(jù)報(bào)道,這些化合物的確兼具緩蝕、阻垢和對某些細(xì)菌的抑制殺滅作用。</p><p>　　綠色水處理

43、化學(xué)品的發(fā)展無磷、非氮并具有良好生物降解性能的合成高分子水處理劑聚天冬氨酸和聚環(huán)氧琥珀酸是國際公認(rèn)的兩種綠色水處理劑。美國Nalco公司開發(fā)的一種非磷非鉻的全有機(jī)系水處理藥劑(代號為8365),經(jīng)過應(yīng)用試驗(yàn)確認(rèn)其緩蝕、阻垢效果極佳,并且具有無毒、無環(huán)境污染的特點(diǎn),可以消除污水排放的后顧之憂。</p><p>　　另一類綠色水處理化學(xué)品為天然產(chǎn)物及其改性水處理化學(xué)品,例如:天然改性殼聚糖、改性淀粉、改性單寧、改性瓜

44、兒膠等。</p><p>　　美國水處理市場總銷售額保持在32 1億美元,其中專用水處理化學(xué)品約占84%,合27億美元。鍋爐系統(tǒng)專用化學(xué)品(包括緩蝕劑、阻垢劑和消泡劑)1995年銷售額為5 6億美元,約增長5%(含2 5%的通貨膨脹率);冷卻水系統(tǒng)專用化學(xué)品(包括阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑和分散劑)1995年銷售額為7 6億美元,也增長了5%。美國最大的水處理化學(xué)品市場在工業(yè),1995年約占20億美元,商業(yè)和公共機(jī)構(gòu)

45、占4 7億美元,市政占1 6億美元,預(yù)計(jì)2000年前美國水處理化學(xué)品市場將以年均3%～5%的速度增長。美國專用水處理化學(xué)品消耗額見表1。</p><p>　　表1 美國專用水處理化學(xué)品消耗額（以百萬美元計(jì)）</p><p>　　注：用于處理燃燒氣洗滌器，表中數(shù)據(jù)不包括明礬、鐵鹽和氧化劑。</p><p>　　美國、北美洲和歐洲的水處理市場已趨飽和,為尋求發(fā)展,大水處

46、理公司正將目光轉(zhuǎn)向拉丁美洲、亞太和非洲等國外市場。很多美國公司在國外都設(shè)有分支機(jī)構(gòu)或代表處。拉丁美洲水處理化學(xué)品市場年增長速度高于12%,一些亞太國家的年增長速度則高達(dá)30%,遠(yuǎn)超過美國3%～5%、歐洲5%～7%的增長率。中國、馬來西亞、新加坡、韓國、泰國、巴西、墨西哥、智利、阿根廷等國家都是很有希望的市場。Nalco公司在拉丁美洲的市場銷售額約為6000～7000萬美元,占整個拉丁美洲水處理市場的2/3。1996年上半年Nalco公司

47、在該地區(qū)的市場銷售額增長了17%。Betz收購Dearbon之后,國外市場占有率已由28%增至44%。為增強(qiáng)自身在亞洲的競爭力, BetzDearbon還收購了臺灣的Peitz公司。Calgon公司約25%的銷售額來自北美洲以外的市場。Drew工業(yè)也買下了其澳大利亞和新西蘭合資伙伴的全部股份,充分利用了這兩個地區(qū)的工業(yè)增長。預(yù)計(jì)我國水處理化學(xué)品市場也將面臨外商的激烈競爭和挑戰(zhàn),對此我們必須有所準(zhǔn)備。</p><p&g

48、t;　　1.5 重金屬廢水的來源和危害</p><p>　　1.5.1重金屬廢水來源</p><p>　　重金屬廢水來源于電鍍、采礦、化工等行業(yè)。主要來自礦山坑內(nèi)排水、廢石場淋浸水、選礦廠尾礦排水、有色金屬冶煉廠除塵排水、有色金屬加工廠酸洗水、電鍍廢水等。這些廢水的重金屬離子的種類、含量及其存在形態(tài)隨著不同的生產(chǎn)行業(yè)而存在差異,變化很大。近幾年,隨著電鍍工業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是點(diǎn)多面廣的鄉(xiāng)

49、鎮(zhèn)電鍍企業(yè)的發(fā)展,使電鍍公害日益表面化。電鍍行業(yè)產(chǎn)生廢水造成的污染嚴(yán)重,1994年被我國政府列為25種限制發(fā)展的行業(yè)之一。因此,電鍍界在不斷開拓新工藝的同時(shí),都在致力于電鍍廢水的治理技術(shù)的應(yīng)用研究,電鍍廢水成為具有代表性的難處理的工業(yè)廢水之一。主要由于廢水中含有大量的重金屬離子,這與它的行業(yè)性質(zhì)有關(guān)。直接排入受納水體不僅污染環(huán)境,也浪費(fèi)了大量有價(jià)金屬,電鍍廢水的有效治理再國內(nèi)外引起廣泛重視。</p><p>　　

50、1.5.2重金屬廢水危害</p><p>　　在環(huán)境保護(hù)中,重金屬一般是指Hg,cd,Pd,cr和類金屬As等生物毒性顯著的元素,也指具有一定毒性的一般重金屬,如zn,cu,C。,Ni,Sn等元素。重金屬在水中的一般以離子形式存在,對水體、土壤環(huán)境造成很大的危害。下面結(jié)合本課題研究情況,主要簡要介紹鉻、銅和鉛的主要危害。銅對人體造血、細(xì)胞生長、某些酶的活動及內(nèi)分泌腺功能均有影響,如攝入過量的銅,就會刺激消化系統(tǒng),

51、引起腹痛、嘔吐。銅對低等生物和農(nóng)作物毒性較大,其濃度達(dá)0.1mg·L-1,～0.2mg·L-1,即可使魚類致死,與鋅共存時(shí)毒性可以增加,對貝殼類水生物毒性更大,一般水產(chǎn)用水要求銅的濃度在0.01mg·L-1以下。銅對水體自凈作用有較嚴(yán)重的影響,濃度為0.1mg·L-1時(shí),會使水的生化耗氧過程明顯受到抑制。Cr3+在人體中不容易被消化吸收,在皮膚表層與蛋白質(zhì)結(jié)合,過量的Cr3+易積存在肺泡中,引起肺

52、癌,進(jìn)入血液中會引起肝和腎的功能障礙。Cr6+有很大的刺激和腐蝕性,可引起胃潰瘍、喉炎和腸炎。在動物的肺內(nèi)存量很多時(shí),對肺有一定的損害。Cr6+對人的皮膚有刺激作用,可導(dǎo)致皮膚過敏癥狀,接觸鉻酸鹽、鉻酸霧的部位可出現(xiàn)皮炎,呼吸系統(tǒng)</p><p>　　此外,其它的各類重金屬元素如砷、金、鋅等也都對環(huán)境和人體造成嚴(yán)重的危害。重金屬酸洗廢水影響魚類和水生物生長,妨礙漁業(yè)生產(chǎn)。據(jù)資料報(bào)道,江蘇某廠每年向附近水庫排放酸洗

53、電鍍廢水47000余噸,造成魚產(chǎn)量從巧萬斤降至2萬斤左右。昆明市每天排放鉻酸40多噸,滇池水體常出現(xiàn)死魚,珍貴魚種如:金線魚、桂花魚及海菜花己趨絕跡[28]。重金屬廢水排入土壤,植物體內(nèi)重金屬逐步積累,葉片會退綠發(fā)黃。植物生長發(fā)育受阻甚至死亡。造成農(nóng)業(yè)、林業(yè)減產(chǎn),1974年,遭到北京某廠排放的電鍍廢水污染的水體污灌農(nóng)田,造成3000畝小麥死亡。</p><p>　　1.5.3重金屬廢水污染的特點(diǎn)</p>

54、;<p>　　重金屬隨廢水排出時(shí),既使?jié)舛群艿蜁r(shí),也可能造成危害。重金屬廢水具有如下特點(diǎn):(l)在天然水體中只要有微量重金屬,即可產(chǎn)生毒性反應(yīng),且毒性具有長期持續(xù)性。重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1.0~10mg·L-1之間,毒性較強(qiáng)的重金屬如汞、鎘等毒性濃度范圍在0.001一0.1mg·L-1。水體中某些重金屬可在微生物作用下,轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的有機(jī)化合物。例如,無機(jī)汞在天然水體中可被微生物轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的

55、甲基汞。</p><p>　　(2)生物可大量富集重金屬,通過食物鏈,危害人類。生物從環(huán)境中攝取重金屬,并經(jīng)體內(nèi)或某些器官中高度富集,其富集倍數(shù)可達(dá)成千上萬,水生動植物、陸生農(nóng)作物都有這種現(xiàn)象,然后通過生物鏈進(jìn)入人體,在某些器官中積蓄起來構(gòu)成慢性中毒, 嚴(yán)重危害人體健康。(3)重金屬不能被生物降解,只能改變其化合價(jià)和化合物種類。天然水體中OH-1,C1-1,SO2-,NH3+、有機(jī)酸、氨基酸、腐植酸等,都可以同重

56、金屬生成各種絡(luò)合物或鰲合物,使重金屬在水中的濃度增大,也可以使沉入水底的重金屬又釋放出來。有關(guān)國家都制定的重金屬廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　1.5.4重金屬廢水處理方法</p><p>　　目前重金屬廢水的治理技術(shù)有:①化學(xué)法:化學(xué)沉淀法、氧化一還原法(置換法)、鐵氧體法;②氣浮法;③蒸發(fā)濃縮法;④吸附法:活性炭吸附法、腐植酸類吸附法、粘土(斜發(fā)沸石)吸附法;⑤離子交換法;⑥電解法

57、:⑦膜分離法:電滲析、反滲透、液膜法;⑧生物法以及多元綜合防治技術(shù)。</p><p>　　現(xiàn)分別簡單介紹如下:</p><p>　　(1)蒸發(fā)濃縮法此工藝能耗大,操作費(fèi)用高,雜質(zhì)干擾資源回收問題還待研究。一般將其作為其它方法的輔助處理手段。</p><p>　　(2)化學(xué)法化學(xué)法的缺點(diǎn)是,要不斷消耗化工材料,達(dá)不到深度處理,處理效率低,一般因沉淀而產(chǎn)生污泥,易造成二

58、次污染,排出的水回用困難,占地面積較大。</p><p>　　(3)離子交換法離子交換法不足之處在于:一是投資大,一般占地面積較大,技術(shù)掌握較難,廢水處理物濃度不宜太高,存在再生洗脫液的處理問題。</p><p>　　(4)電解法電解法在處理含氰、含鉻、含鎬、含銅等電鍍廢水中獲得了應(yīng)用。由于電解法要消耗較多的電能以及受到許多因素的限制,因此發(fā)展并不快。</p><p&g

59、t;　　(5)膜分離方法膜分離方法主要包括電滲析法、反滲透法和液膜法。電滲析法預(yù)處理要求多,耗電量大;膜的質(zhì)量尚待提高,限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。反滲透法濃縮比有限;并且膜的質(zhì)量問題還有待提高。液膜法研究和應(yīng)用仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段,要使液膜法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化還需繼續(xù)探索,推出成套設(shè)備,并要有符合工廠使用的工藝過程的控制方法。</p><p>　　(6)活性炭法活性炭法利用了活性炭的物理吸附、化學(xué)吸附及氧化還原等作用,以

60、除去廢水中的有害物質(zhì)。目前活性炭法多用于處理含鉻廢水和含氰廢水。該法工藝簡單,裝備制造便宜;適用范圍廣能除去大多數(shù)重金屬、有機(jī)物和生物分子。具有投資少,占地面積小,上馬快,處理效果好的特點(diǎn)。</p><p>　　制約活性炭吸附法應(yīng)用的主要因素在于成本較高,活性炭再生效率低?；钚蕴吭偕椒ㄍǔＳ?熱解、氧化、超臨界、酸堿等。在熱再生過程中,炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)都有不同程度的改變。缺點(diǎn)是炭耗大,一般為5%~20

61、%,每天再生炭量多于250kg一500地時(shí),熱再生才會具有經(jīng)濟(jì)性。此外,再生炭的機(jī)械強(qiáng)度下降,粗孔數(shù)量增加,表面積減少,再生設(shè)備復(fù)雜,基建和運(yùn)行費(fèi)用高,能源利用率低,不易小型化;汽化有機(jī)物往往在再生爐內(nèi)燃燒不充分,為防止空氣污染,需設(shè)后燃燒設(shè)備及洗氣塔。通常,熱解、氧化、超臨界等方法適用于對吸附有機(jī)物的活性炭的再生,而酸堿處理適合于吸附金屬離子的活性炭的再生。目前我國重金屬廢水的處理方法,應(yīng)用較多的還是化學(xué)法、離子交換法、電解法,但是存

62、在的問題也逐步突現(xiàn)出來,隨著新型活性炭制備工藝的研發(fā)與應(yīng)用,活性炭制備成本逐漸下降,勞動強(qiáng)度下降,工作環(huán)境提高,活性炭再生效率得到提高,該方法的優(yōu)越性越來越顯現(xiàn)出來。</p><p>　　1.6 活性炭纖維概述</p><p>　　1.6.1活性炭纖維及其應(yīng)用研究進(jìn)展</p><p>　　目前,對ACF的研究日趨興起,ACF氧化還原特性機(jī)理、動力學(xué)及其吸附性能的關(guān)

63、系已經(jīng)形成較為成熟的理論體系。ACF吸附動力學(xué)穿透曲線的研究等將使ACF的理論研究更為完善,大大拓寬了ACF的應(yīng)用領(lǐng)域。在今后一段時(shí)期內(nèi),從ACF的制造原材料出發(fā),改善工藝條件,降低生產(chǎn)成本,改進(jìn)ACF的生產(chǎn)工藝和設(shè)備,改善ACF的表面結(jié)構(gòu)和性能,完善對普通有機(jī)蒸氣、水溶液中污染物的吸附處理的工業(yè)應(yīng)用工藝,研究新的潛在功能,開發(fā)其新的應(yīng)用領(lǐng)域等將是今后研究的發(fā)展趨勢。此外,也可以與其他材料復(fù)合,充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)越性,提高性價(jià)比,進(jìn)一

64、步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。ACF是非常有發(fā)展前途的高效吸附材料,無論污染物質(zhì)是微量級還是高濃度,都可采用ACF進(jìn)行吸附處理,達(dá)到滿意效果,在很多領(lǐng)域中可能取代活性碳。當(dāng)然,在ACF開發(fā)和應(yīng)用中,如何克服ACF成本較高,如何發(fā)揮ACF的優(yōu)異性能,飲用水經(jīng)ACF處理后毒理學(xué)方面有什么變化,解吸脫附還有待進(jìn)一步確定等方面有待深入研究。</p><p>　　活性炭纖維(activatecarbonfiber,ACF),是20世紀(jì)

65、70年代初發(fā)展起來的一種新型吸附功能材料,它以木質(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料,經(jīng)炭化和活化制得。與粒狀、粉狀活性炭相比較,ACF具有特有的微孔結(jié)構(gòu),更高的外表面積和比表面積以及多種官能團(tuán),平均細(xì)孔直徑也更小,通過物理吸附、化學(xué)吸附以及物理化學(xué)吸附等方式在廢水、廢氣處理、溶劑回收、水凈化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.6.2　ACF的應(yīng)用</p><p&g

66、t;　　1　ACF用于水凈化　　</p><p>　　ACF對水凈化有特殊功能,例如,對水質(zhì)混濁有明顯的澄清作用,可以除去水中的異臭、異味;對水中含高鐵、高錳等無機(jī)物凈化效果明顯;對氰、氯、氟、酚等有機(jī)化合物去除率達(dá)90%以上,對細(xì)菌有極好的過濾效果,如大腸桿菌去除率達(dá)98%。有人用ACF進(jìn)行了排除地下水中氯化物和飲用水源地下水中三氯甲烷前驅(qū)物的研究。</p><p>　　2?。粒茫朴糜趶U

67、水處理　　</p><p>　　(1) 有機(jī)化工廢水處理: 中山大學(xué)研制生產(chǎn)的ACF用于處理含酚工業(yè)廢水已通過中試技術(shù)鑒定,1985年獲國家專利。用ACF處理含酚工業(yè)廢水,出水苯酚質(zhì)量濃度可下降至0.5ｍｇ/Ｌ以下,這是目前已知的其他吸附劑所難以達(dá)到的。ACF用于模擬甲苯廢水的處理,結(jié)果表明,ACF對甲苯吸附容易,吸附容量大。甲苯平衡質(zhì)量濃度在74～162.3ｍｇ/Ｌ范圍內(nèi),吸附容量可達(dá)0.54～0.67ｇ/ｇ。

68、吸附飽和的ＡＣＦ用100℃蒸汽再生,效果顯著,經(jīng)多次再生重復(fù)使用,吸附能力無明顯變化。</p><p>　　(2) PCBs廢水處理[5]:含PCBs10～27μｇ/Ｌ的廢水經(jīng)單級ACF吸附,出水達(dá)國家排放標(biāo)準(zhǔn),單柱穩(wěn)定運(yùn)行周期70～80ｄ,ACF吸附容量7ｇ/ｋｇ?！　?lt;/p><p>　　(3) 制藥廠高濃度廢水處理[6]:某制藥廠COD達(dá)10000ｍｇ/Ｌ的廢水采用ACF三級吸附,凈

69、化效率達(dá)86%以上,脫附時(shí)用150～350℃空氣及蒸汽混合脫附,ACF性能不變,ACF靜態(tài)吸附容量大于0.5ｇ/ｇ。本實(shí)驗(yàn)室使用的表面改性的ACF處理某制藥廠含硝基苯的廢水,處理效果好,出水能夠達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。加熱再生后吸附性能不會降低,ACF靜態(tài)吸附容量大于0.2ｇ/ｇ。</p><p>　　(4)煉油廠環(huán)烷酸綜合廢水處理[7]:該廢水COD達(dá)5000ｍｇ/Ｌ,揮發(fā)酚1600ｍｇ/Ｌ,采用一級ACF吸附,

70、 COD去除率達(dá)96.5%以上,揮發(fā)酚<0.5ｍｇ/Ｌ,色度100%去除,脫附時(shí)采用200～400℃熱空氣及過熱蒸汽混合脫附,ACF靜態(tài)吸附容量達(dá)0.65～0.72ｇ/ｇ。</p><p>　　(5) 印染、造紙黑液廢水的處理:ACF催化電極在ｐＨ6.0～8.0時(shí),以15～25Ｖ電壓直接處理各類染料液及較高濃度的實(shí)際混合殘液,脫色率達(dá)95%～100%,染料液COD Cr去除率為65%～85%。處理過程中ｐＨ

71、基本保持不變。ACF電極法對造紙黑液進(jìn)行處理,ｐＨ穩(wěn)定在7左右,電解一定時(shí)間,色度去除率達(dá)94%。黑液經(jīng)酸析及聚鋁絮凝預(yù)處理后進(jìn)行ACF電極處理,可進(jìn)一步提高CODCr及色度去除率,若采用“酸化+電解(45min)+Fenton試劑(60min)”的綜合治理方案,上述去除率分別達(dá)94.20%和99.60%,出水近乎清澈透明。</p><p>　　(6) 染料廢水的處理:ACF可以有效除去水中某些有機(jī)染料分子如亞甲

72、基藍(lán)、結(jié)晶紫、臭酚藍(lán)等,其吸附量大,去除率高,有的幾乎可達(dá)100%的去除率。不同的染料分子,ACF吸附速率差別很大,為了有效去除水中染料,可根據(jù)不同吸附質(zhì)特性,控制不同吸附工藝,以達(dá)到最大的去除效果。</p><p>　　3　ＡＣＦ在其他方面的應(yīng)用　　</p><p>　　(1)ACF用于空氣凈化:ACF對3,4-苯駢芘有特殊的吸附能力,對煙堿的吸附率也很高,所以可以利用ACF來凈化空氣。

73、此外,Ｈ2Ｓ通過保持濕狀態(tài)的ACF時(shí),被迅速氧化成硫酸,經(jīng)過45ｄ后Ｈ2Ｓ幾乎100%去除;而采用改性的PAN基ACF吸附ＳＯ2時(shí)發(fā)現(xiàn),其吸附容量為改性前的2倍以上,為活性炭的10倍以上,且吸附速率大,在600℃惰性氛圍中吸附飽和的ACF可獲再生。</p><p>　　(2)ＡＣＦ用于溶劑回收:ACF吸附容量大而且脫附速度快,可在回收活性溶劑方面得到應(yīng)用[12]。這是因?yàn)槠湮?、脫附速度?周期短,在吸附過程中很少

74、發(fā)生分解或聚合。而且脫附溫度低,容易脫附而且徹底,殘留在吸附床中的被吸附物質(zhì)少,減少了結(jié)焦或積炭的概率。因此用ACF回收有機(jī)溶劑的質(zhì)量要比用活性炭高,而解吸操作簡單省時(shí)。如在回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2000×10-6的含酮混合溶劑中,回收率達(dá)98%;在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的應(yīng)用中,回收率均高于97%。</p><p>　　(3)ＡＣＦ用作氧化還原劑:氧化還原功能是ACF的基本特征之一。曾漢民等對此開展了大

75、量的研究工作,取得了一系列重要成果。ACF可以作還原劑,也可成為氧化劑。與普通還原劑不同,ACF對不同的氧化金屬離子具有不同的氧化還原容量。與弱氧化性的金屬離子反應(yīng)后的ACF還可進(jìn)一步與強(qiáng)氧化性離子進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。由于ACF對Ａｕ3+、Ａｇ+、Ｐｄ4+等貴金屬離子具有較好的氧化還原吸附性能,能夠?qū)⒏邇r(jià)態(tài)金屬離子還原成低價(jià)態(tài),以至單質(zhì)金屬,而且所得單質(zhì)金屬呈納米狀態(tài)負(fù)載于ACF上。因此在貴金屬的回收、分離及其再利用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。&

76、lt;/p><p>　　此外,ACF還可用于制作防化用品,用于人造腎臟、肝臟的吸附劑及生物固定酶,用于制造高性能的電容和電池的電極,還可以用于水果蔬菜保鮮。</p><p>　　1.7 研究目的意義及內(nèi)容</p><p>　　1.7.1研究的目的和意義</p><p>　　目前活性炭在環(huán)保行業(yè)的污水處理、廢氣及有害氣體的治理、氣體凈化中得到了很

77、好的應(yīng)用。近20年來,由于活性炭的再生問題得到了較為滿意的解決,同時(shí),活性炭的制造成本也有了降低,活性炭技術(shù)在國內(nèi)外得到逐漸推廣使用。隨著新的活性炭生產(chǎn)方法的誕生和應(yīng)用,涌現(xiàn)出了許多新型活性炭,例如昆明理工大學(xué)的彭金輝等采用微波加熱制備了多種類型的活性炭,該生產(chǎn)工藝具有節(jié)能、快速、加熱易控制等優(yōu)點(diǎn)。重金屬廢水對環(huán)境和人體健康造成巨大的威脅,而活性炭吸附處理重金屬廢水工藝在工業(yè)上已得到了應(yīng)用。為了使微波加熱法生產(chǎn)的活性炭在環(huán)境污染治理工程

78、中得到更好的應(yīng)用,有必要對其在重金屬廢水處理中的吸附性能和吸附行為做出定量和定性分析。相比較于其他吸附劑活性炭成本較高,因此,從工業(yè)應(yīng)用的角度出發(fā),為節(jié)約成本需對其進(jìn)行再生研究。</p><p>　　1.7.2研究內(nèi)容 </p><p>　　本研究將采用微波加熱技術(shù),分別采用水蒸氣為活化劑,以及ZnCl2為活化劑,煙桿為原料制備活性炭,并應(yīng)用于處理含銀、含銅重金屬離子和含甲苯、苯酚等有機(jī)物

79、的廢水。對其吸附熱力學(xué)和吸附機(jī)理方面的問題進(jìn)行研究,對該工藝吸附過程傳質(zhì)速度和傳質(zhì)機(jī)理等吸附動力學(xué)方面特性,并研究該工藝的實(shí)用性和工藝條件。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),還對活性炭的再生方法進(jìn)行研究。</p><p><b>　　2 活性碳纖維</b></p><p>　　活性碳纖維（ACF）是以有機(jī)纖維為前驅(qū)體通過不同途徑而制得的一種新型功能纖維，作為繼粉狀活性炭和粒狀活性炭之

80、后的第三代產(chǎn)品的新型功能吸附材料具有成型性好、耐酸與堿及導(dǎo)電性與化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其不僅表面積大、孔徑適中、分布均勻及吸附速度快，而且具有不同的形態(tài)?；钚蕴祭w維在催化、吸附方面具有獨(dú)特的性能特征，其本身所具有的特征與孔結(jié)構(gòu)、孔分布、微空表面積以及表面化學(xué)等使之具有極大的開發(fā)價(jià)值。</p><p>　　目前納米級ACF已廣泛應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、輻射防護(hù)、電子工業(yè)等方面，由于對環(huán)境保護(hù)具有重要意義，已越來受到

81、人們的關(guān)注，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。</p><p><b>　　基本性能</b></p><p>　　ACF是一種表面納米粒子，具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)與納米空間混合的體系。其纖維直徑細(xì)，與被吸附的接觸面積大，且可以均勻接觸與吸附，使吸附材料材料得以充分利用，效率高，且具有纖維氈、布與紙等各種纖細(xì)的形態(tài)?？紫吨苯娱_口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，且本身的外表面積表

82、內(nèi)表面高出兩個數(shù)量級。</p><p><b>　　2.1 結(jié)構(gòu)特征</b></p><p>　　ACF具微孔形結(jié)構(gòu)，其微孔形結(jié)構(gòu)，其微孔半徑在2nm以下，其孔徑分布窄，特殊的細(xì)孔呈單分散分開。有不同尺寸的微細(xì)孔隙組成其結(jié)構(gòu)，并且中孔、小孔擴(kuò)散呈現(xiàn)出多分散型分布，在各細(xì)孔結(jié)構(gòu)中的差別較大，其主要原因是在于原料的不同。在ACF中無大孔，只有過渡孔，微孔分布在纖維表面，

83、其吸附速率快，ACF絲束的空間起大孔作用，對氣相與液相有較好的吸附作用，其外比表面大吸脫速度快，為粒徑活性炭10～100倍。隨著比表面積增大，細(xì)孔的平均自徑隨之增大，細(xì)孔容積增加，在細(xì)孔內(nèi)發(fā)生吸附后充填細(xì)孔內(nèi)。其比表面積增大吸附容量大，為粒狀活性炭的10倍，可吸附處理低濃度廢水或具有高活性的物質(zhì)。</p><p>　　2.2 表面化學(xué)結(jié)構(gòu)</p><p>　　ACF固體表面原子呈不飽和結(jié)

84、構(gòu)，其具有獨(dú)特的表面化學(xué)性能，其微晶在燃燒溫度低時(shí)易于氧化介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氧化物，主要有羥基、酚基、等含氧基團(tuán)，及含硫基、氮元素、鹵素等官能團(tuán)。其便面酸性與吸附平衡有密切關(guān)系。</p><p>　　按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的分類標(biāo)準(zhǔn)，吸附劑的細(xì)孔分為三類：孔徑大于50的為大孔，2～50nm為中孔，0.8～2nm的為微孔以及小于0.8nm的為亞微孔。ACF的孔主要是亂層結(jié)構(gòu) 炭和石墨微晶形成的孔徑

85、。微孔的大量存在使ACF的表面積增大，同時(shí)也是其吸附量提高。吸附劑中的大孔是作為被吸附分子到達(dá)吸附位的通道，他控制著吸附速度；ACF纖維直徑一般在10～13nm外表面積大，微孔豐富且分布窄，易于與吸附質(zhì)接觸，擴(kuò)散阻力小，所以其吸脫速度快，有利于吸附分離；而且可以根據(jù)需要制成氈、布、紙等各種形態(tài)，適用于各種用途。ACF是由CF活化而成。CF為多晶亂層石墨結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)化成ACF后，結(jié)構(gòu)基元不變化，ACF是非均勻性的多相結(jié)構(gòu)。</p>

86、<p>　　由于在高溫水蒸氣將部分原子脫去后形成微孔結(jié)構(gòu)使之生成羥基、羰基等含氧活性基團(tuán)，使基表面積的酸性增加。比表面積為近1200m2∕g，遠(yuǎn)大于CF。在苛刻條件下可達(dá)3000m2∕g。ACF為分布狹窄單一孔徑的微孔結(jié)構(gòu)。其孔可以產(chǎn)生毛細(xì)管的凝聚作用。由于具有微孔級吸附，吸附速率遠(yuǎn)大于兩個數(shù)量級，吸附量大，在填充床流體的床層阻力小，可作為催化劑及催化劑載體使用。再ACF分子內(nèi)的痕量雜原子為磷、氮、氯等。在活化時(shí)，部分雜原

87、子被脫去后，表面的雜質(zhì)大大減小。由于活化中氧化氣體的作用，表面含氧基團(tuán)增強(qiáng)，主要有酸性基團(tuán)，如羥基等。中性基完備，如羰基、內(nèi)酯基等，堿性基團(tuán)有過氧化基等。ACF會因活化的方法不同，而生成不同的表面含氧基與表面酸堿性不同的產(chǎn)物。再水的作用下，其氧化還原能力更強(qiáng)。由于水的存在可以使一些基團(tuán)氧化成羥基。由此在表面氧基團(tuán)數(shù)目增加后，表面氧化還原容量增大。</p><p>　　活性碳纖維與普通活性炭相比具有以下特點(diǎn)：<

88、;/p><p>　?、傥⒖兹萘看?，孔徑小，孔徑分布窄，比表面積大。ACF具有發(fā)達(dá)的比表面積，豐富的微孔和均勻的孔徑，微孔90℅以上，沒有過渡孔，孔徑小，分布窄，1～2nm，單分散。</p><p>　?、谖饺萘看?，吸附速度快，耐熱、耐酸堿。</p><p>　?、蹖Φ蜐舛鹊奈劫|(zhì)具有良好的吸附性。</p><p>　?、茉喜煌?，工藝不同，可制

89、的不同的ACF，具有良好的選擇吸附性能。</p><p>　　⑤解吸快，再生率高，不發(fā)生副反應(yīng)，有利于ACF再生，多次循環(huán)使用。</p><p>　?、尬酱┩盖€沒有漏吸現(xiàn)象，有利于單柱吸附。</p><p>　?、逜CF可制成氈、紙等多種形式靈活使用，滿足工程的需要，而仍保持良好的吸附性能。</p><p>　　2.3 活性碳纖維與活性

90、碳的比較</p><p>　　吸附分離在環(huán)境工程及化學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛, 吸附分離的技術(shù)關(guān)鍵在于吸附劑應(yīng)具有較大吸附容量, 較快吸附速率,它們是由吸附劑的表面特性所決定的, 包括吸附劑的比表面積、微孔容積、表面官能團(tuán)的種類及數(shù)量等。</p><p>　　活性碳(Activated Carbon, 簡稱AC)是一種常見的吸附材料, 主要有粒狀和粉末狀。ACF 表面平整, 光滑, 5～

91、 14Λm 的微孔均勻地分布在表面, 與AC 相比, 有較大表面積和孔容積, 外表面比AC 大 100 倍以上;ACF纖維絲直徑一般為 10～ 20Λm, 它比粒狀或粉末狀活性碳有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸, 這種結(jié)構(gòu)使ACF 比AC 具有更大的吸附容量, 約大1～ 10 倍, 更容易產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚作用, 吸附速度快, 脫附也比較容易。ACF成品有毛氈布狀、紙片狀、蜂窩狀、織物、雜亂的短纖維和纖維束等形狀 , 密度小, 兩者體積密度相差

92、10 倍, 成型較好, 不易粉化, 在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的靈活性和簡易性, 吸附單元較少, 具有一定強(qiáng)度和形狀, 在振動下不會產(chǎn)生裝填松動和過分密實(shí)的現(xiàn)象, 克服了粒狀和粉末狀活性碳在操作過程中形成的溝槽和沉降等問題。圖1 為兩者的結(jié)構(gòu)模型。表2 為兩者的特性數(shù)據(jù)比較。ACF 的化學(xué)組成與AC 有差別, 由不同原料或相同原料經(jīng)不同的制作方法而得到的ACF 吸附性能和化學(xué)組成也有區(qū)別, 見表 3。</p><p>

93、　　表2 ACF與GAC的結(jié)構(gòu)與功能</p><p>　　表3 ACF和AC的化學(xué)組成（%）</p><p>　　ACF 表面存在著大量的含氧官能團(tuán): 羥基、羰基、羧基、內(nèi)酯基等酸式或堿式含氧官能團(tuán), 更易形成氫鍵, 對某些物質(zhì)具有更好的吸附能力 。此外,ACF 具有氧化還原性能。在脫附再生上, 活性碳再生溫度高, 約為540℃～960 ℃ 恢復(fù)率在90%左右 每次再生損耗7%～

94、10%, ;ACF 脫附相對較簡單,在 200℃～ 500℃的過熱水蒸汽或水蒸汽與熱空氣混合脫附, 也有根據(jù)吸附質(zhì)特點(diǎn),采用脫附劑進(jìn)行脫附, 其性能基本不變,</p><p>　　在脫附再生上, 活性碳再生溫度高, 約為540℃～960 ℃ 恢復(fù)率在90%左右, 每次再生損耗7%～ 10%;ACF 脫附相對較簡單,在 200℃～ 500℃的過熱水蒸汽或水蒸汽與熱空氣混合脫附, 也有根據(jù)吸附質(zhì)特點(diǎn), 采用脫附劑進(jìn)行

95、脫附, 其性能基本不變, 且脫附速度快, 時(shí)間短。</p><p>　　2.4 粒狀活性碳與活性碳纖維過濾器性能對比</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對環(huán)境污染問題的重視程度及室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的只對可吸入顆粒物起作用的空氣過濾器已經(jīng)不能滿足人們的要求，于是化學(xué)過濾器便應(yīng)運(yùn)而生，這是因?yàn)樗梢郧宄諝庵械臍怏w污染物。隨著工業(yè)的發(fā)展和城市的不斷擴(kuò)大，我們身邊有害氣體的濃

96、度也在增加，而人們對空氣的潔凈度要求卻在逐年提高，于是人們對化學(xué)過濾器的需求量也就在逐年增加。</p><p>　　化學(xué)過濾器過濾原理是：有選擇的吸附有害氣體分子，而不是像普通過濾器那樣機(jī)械地清除雜質(zhì)。在通風(fēng)和空調(diào)領(lǐng)域，化學(xué)過濾器使用活性碳作為主要過濾材料?；钚蕴疾牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖祝渲薪^大部分微孔的孔徑在5—500A°，(1A=1×10-10以下同）之間，單位材料中微孔的總內(nèi)表面積

97、可高達(dá)700～2300m2/g，也就是說，在一個米粒大小的活性碳顆粒中，微孔的內(nèi)表面積相當(dāng)于一個大客廳內(nèi)墻面的大小。根據(jù)材料的處理方法，活性碳吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附?jīng)]有明顯的化學(xué)反應(yīng)，它主要依靠范德華力?；瘜W(xué)吸附是經(jīng)過化學(xué)處理而使材料與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的吸附，它的原理是：活性碳靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物起反應(yīng)，生成固體成分或無害的氣體。</p><p>　　2.4.1粒狀活

98、性碳過濾器及活性碳纖維過濾器</p><p><b>　　⒈活性碳（AC）</b></p><p>　　AC是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和大的內(nèi)部比表面積的材料。由于其大的表面積、微孔結(jié)構(gòu)、高的吸附能力和很高的表面活性而成為獨(dú)特的多功能吸附劑，且其價(jià)廉易得，部分還可再生活化，同時(shí)它可有效去除廢水、廢氣中的大部分有機(jī)物和某些無機(jī)物，所以它被世界各國廣泛地應(yīng)用于污水及廢氣的處理、空

99、氣凈化、回收稀有金屬及溶劑等環(huán)境保護(hù)和資源回收等領(lǐng)域?；钚蕴挤譃榱罨钚蕴?、粉末活性碳及活性碳纖維，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生賦活而被限制利用。</p><p>　?、?粒狀活性碳（GAC）</p><p>　　GAC的85﹪～90﹪用于水處理和氣體吸附處理，它的粒徑為500～5000um，GAC的孔結(jié)構(gòu)一般是具有三分散態(tài)的孔分布，既具有按國際純粹與應(yīng)用化學(xué)會（IUPAC）分類

100、的孔徑>50nm的大孔，也有2.0～50nm的中孔(過渡孔)和<2.0nm的微孔[44]。</p><p>　　由于GAC的孔狀結(jié)構(gòu)所致，它的吸附速度較慢，分離率不高，特別是它的物理形態(tài)使其在應(yīng)用和操作上的有諸多不便，限制了GAC的應(yīng)用范圍。</p><p>　?、?活性碳纖維（ACF, activatecarbonfiber）</p><p>　　A

101、CF是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產(chǎn)品。70年代發(fā)展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業(yè)發(fā)展起來的一種新型、高效的吸附劑。</p><p>　　2.4.2活性炭纖維的特點(diǎn)</p><p>　　ACF是多孔碳家族中具有獨(dú)特性能的一員，與傳統(tǒng)的粒狀活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?、貱F與GAC的孔結(jié)構(gòu)有很大的差異，如圖4和圖5所示。A

102、CF的孔分布基本上呈單分散態(tài)，主要由小于2.0nm的微孔組成，且孔口直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，纖維直徑細(xì)，故與被吸附物質(zhì)的接觸面積大，增加了吸附幾率，且可均勻接觸。</p><p>　　圖4 ACF 和GAC的孔結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　②比表面積大，最大可達(dá)2500m2/g，約是GAC的10～100倍：吸附容量大，約是GAC的1.5～100倍；吸附能力為G

103、AC的400倍以上；吸附、脫附速度快，ACF對氣體的吸附數(shù)10秒至數(shù)分鐘可達(dá)平衡。</p><p>　?、?ACF孔徑分布范圍窄，絕大多數(shù)孔徑在100A以下，GAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有微孔、過渡孔和大孔之分，而ACF的結(jié)構(gòu)只有微孔及少量的過渡孔，沒有大孔，并且孔徑均勻，分布比較狹窄，為0.1～1nm，這是ACF吸附選擇性較好的原因。</p><p>　　④ACF不僅對高濃度吸附質(zhì)的吸附能力明顯，對

104、低濃度吸附質(zhì)的吸附能力也特別優(yōu)異，如當(dāng)甲苯氣體含量低到10ppm以下時(shí)，ACF還能對其吸附，而GAC必須高于100ppm時(shí)方能吸附。</p><p>　　⑤ 耐熱、耐酸堿；具有很強(qiáng)的氧化還原特性，可將高價(jià)金屬離子還原為低價(jià)態(tài)。</p><p>　　⑥ 體積密度小，濾阻小，約是GAC的1/3?？晌秸扯容^大的液體物質(zhì)，且動力損耗小。而且ACF易再生，工藝靈活性大（可制成紗、布、氈和紙等多種制

105、品）；以及不易粉化和沉降等特征，這些特征有利于吸附和脫附，使得ACF對各種有機(jī)化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。</p><p>　　吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定，其吸附性能的值log[（C0—C）]可由下式計(jì)算求得[45]：</p><p>　　log[（C0—C）]=0.0064S—0.123D—0.935 式中：C0—初始濃度 C—