大同鹊盛活性炭有限公司知识普及：活性炭在水处理中的应用解析

大同鹊盛活性炭有限公司知识普及：活性炭在水处理中的应用解析

活性炭因表面能高、来源广泛且价格低廉，成为应用普遍的吸附材料，其吸附工艺也因此成为当前去除水中有机物的首选方案。本文将阐述活性炭作为固体吸附剂的核心性质，同时详细介绍其在水污染处理中的实际应用及未来发展前景。

1. 前言

固体表面均存在自发降低表面能的特性，由于固体表面难以收缩，只能通过降低界面张力实现表面能的降低，这也是固体表面产生吸附作用的根本原因。活性炭具备发达的孔隙结构与巨大的比表面积，对水中溶解的苯类、酚类化合物及石油等有机物具有极强的吸附能力，同时对生物法及其他传统工艺难以去除的色度、异臭、表面活性物质、除草剂、合成染料、胺类等人工合成有机污染物，也能达到理想的去除效果，因此活性炭吸附技术在水处理领域已得到广泛应用。

2. 活性炭的特点

活性炭是一类多孔性含炭物质，拥有发达的微孔结构和庞大的比表面积，涵盖多种具备吸附性能的碳基材料，可将多种化学物质吸附于其表面。该材料最初应用于制糖工业，后续逐步拓展至污水中有机物及部分无机物的去除场景。

2.1 活性炭的一般性质

活性炭外观呈暗黑色，吸附性能优良，化学性质稳定，可耐受强酸强碱侵蚀，能承受水浸与高温环境，密度小于水，属于多孔性疏水性吸附剂。

2.2 活性炭的作用机理

活性炭产生吸附作用的核心原因是其固体表面原子力场不饱和，存在表面能，可通过吸附部分分子降低表面能。当固体从溶液中吸附溶质分子后，溶液浓度会降低，被吸附分子则在固体表面实现浓聚。

在制造过程中，活性炭中的挥发性有机物被去除，晶格间形成空隙，进而产生多种形状、不同尺寸的细孔，其孔隙体积通常占颗粒总体积的70%～80%。这些孔隙孔径分布范围广，细孔壁构成的比表面积普遍高达500～1700平方米/克，这也是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。

活性炭的吸附特性不仅与细孔构造及分布相关，还受表面化学性质影响。活性炭本身呈非极性，其表面官能团含量及电荷会随原料组成、活化条件变化而改变：低温活化（<500℃）可生成表面酸性氧化物，水解后能释放H+。由于表面存在微弱极性，会使极性溶质竞争表面活性位点，导致非极性溶质吸附量下降；同时，这种极性可与水中部分金属离子发生交换吸附或络合反应，提升对金属离子的吸附效果。

综上，吸附过程中真正决定吸附能力的是微孔结构，几乎全部比表面积均由微孔构成；粗孔与过渡孔分别发挥粗细吸附通道的作用，其存在与分布在很大程度上影响吸附和脱附速率，而活性炭表面化学性质同样会对吸附效果产生影响。

3. 活性炭在水处理中的应用

活性炭吸附工艺是目前去除水中有机物的首选技术，凭借原料丰富、比表面积大的优势，对色度、嗅味及其他有机物具有良好的去除效果，在水处理中的应用日益广泛。其中，粉末活性炭对水中藻细胞分泌物产生的低分子量溶解性有机碳（DOC，Dissolved Organic Carbon）去除效果尤为显著，且能有效去除微囊藻毒素；在经典慢砂滤池后增设活性炭滤池，可去除土臭味素、2-甲基异冰片（MIB，2-Methylisoborneol）等致臭有机物，大幅降低出水异味。但活性炭对危害较大的卤代烃吸附效果欠佳，且吸附后的再生问题尚未得到满意解决，目前新型吸附材料如活性炭纤维、多孔合成树脂等正处于研发阶段。

3.1 活性炭在饮用水处理中的应用

以颗粒活性炭为滤料的快速生物滤池常作为二级过滤单元，通过附着在颗粒活性炭表面的细菌活动去除水中BOM，该过程又称二级生物活性炭过滤，相关文献已证实其应用有效性。为降低成本并便于水厂推广，“第一级砂—生物活性炭双层滤池”的构想应运而生。采用生物滤池去除水中BOM具有以下优势：

（1）减少供水系统中细菌生长所需营养物质，有效控制细菌繁殖；

（2）降低与消毒剂反应的有机物总量，进而减少消毒剂用量，稳定出厂水剩余消毒剂含量；

（3）去除部分消毒副产物有机前体物，降低水厂水中消毒副产物浓度；

（4）将有机物转化为无机终产物；

（5）老化脱落的生物膜残渣比化学沉淀污泥更易处理；

（6）处理成本低于单纯活性炭吸附法。

3.2 活性炭在废水处理中的除臭作用

活性炭吸附柱可去除乙醛、吲哚等多种恶臭物质，其中乙醛、吲哚通过物理吸附去除，H₂S、硫醇等则在活性炭表面发生氧化反应后被进一步吸附。该材料对硫化氢及含硫化合物的去除效果理想，但对氨及含氮化合物去除效果不佳。在达到吸附饱和前，活性炭对恶臭物质的去除率保持相对稳定，受气体负荷变化冲击影响较小，适应性广泛，但吸附剂不宜频繁再生，因此对被吸附气体浓度有一定限制。

3.3 活性炭在印染废水处理中的脱色应用

利用活性炭吸附作用处理成分复杂的染料生产废水，可取得良好效果，其核心工艺流程如下：

（1）厌氧预处理出水经混凝沉淀后，COD去除率约为83%，脱色率达99.3%，为后续吸附工艺创造有利条件；

（2）活性炭吸附的最佳工艺条件为：pH=4、粉末活性炭投加量20g/L、吸附过程中持续搅拌、吸附时间40min，在此条件下，出水CODCr可降至150mg/L以下，满足国家排放标准；

（3）采用碱法洗脱与Fenton试剂氧化两种再生方法，均可有效恢复活性炭吸附性能，再生后活性炭对CODCr的去除率仍可达77%以上，脱色率维持在97%以上。

4. 活性炭吸附与其他水处理技术的组合工艺应用及发展

4.1 高锰酸钾－活性炭组合工艺

我国部分水厂在微污染水源处理中采用高锰酸钾与活性炭联用工艺，该组合在降解有机物、提升嗅味及色度去除能力方面效果显著，同时在降低浊度、节约矾耗等方面也表现出明显优势。

4.2 生物活性炭法

生物活性炭法是在活性炭吸附技术基础上发展而来的新型水处理技术，该方法以活性炭为生物膜载体，结合活性炭的吸附作用与生物膜的降解作用，实现水中污染物的高效去除。

4.3 粉末活性炭－活性污泥工艺（PACT，Powdered Activated Carbon Treatment）

该工艺将粉末活性炭投加到活性污泥曝气池中，形成生物活性炭体系，利用吸附与降解的协同作用去除有机污染物。凭借其独特作用机理，可去除活性污泥法难以处理的有机物，提升处理效率，同时活性污泥的稳定压密性可有效克服污泥膨胀问题。由于兼具经济性与高效性，该工艺已广泛应用于工业废水处理领域。

5. 结论

活性炭凭借来源广泛、表面能高、吸附能力强、便于循环利用等诸多优势，其吸附技术在污水处理领域已取得良好发展，并得到多场景广泛应用。随着研究的不断深入，活性炭在水处理及相关领域将拥有更广阔的发展空间与应用前景。

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