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吸附剂在环境科学中的应用
出处：本站 作者：Cherry 添加时间：2014-01-13 13:38:06 访问次数：1011
导言
目前电镀重金属废水的处理方法有化学沉淀法、氧化还原处理法、溶剂萃取分离法、吸附法、膜分离技术、离子交换处理法、生物处理法。而吸附法作为一种处理方法，具有以下优点：（1）净化效率高，只要找到适宜的吸附剂，经过吸附后可直接排空，甚至还可以用于室内空气的净化；（2）可回收有用组分，只要找到相应的脱附剂，即可把吸附在吸附剂上的物质洗脱下来，必要时还可焚烧吸附剂回收组分，这在含贵金属的废水处理中具有特别重要的意义；（3）设备简单，一般只需一个吸附塔和一个再生塔，无需特别的动力支持；（4）易实现自动化控制，由于其设备简单，只要控制待净化流体与洗脱流体的流向即可实现吸附与再生。因此，吸附法在环境科学领域获得了广泛的应用。
一、作用机理
由于固体（液体）内部的分子（原子）密度在一般情况下大于液体或气体内部的分子（原子）密度，即在固液、固气界面处的分子（原子）间的平均距离大于分子（原子）的平衡距离，因此在固液、固气界面处的分子（原子）间的作用主要表现为相互吸引力，由此带来了气体（液体）分子有在固体表面聚集的倾向，对于具有巨大表面积及较高分子间力的物质（吸附剂）来说，这种倾向特别明显，表现为固体对污染物的吸附富集。因此，可以利用各种大表面积高内聚力的固体，即吸附剂，来吸附废水中的污染物、去除异味净化空气。
二、各类吸附剂的应用
a) 活性炭
活性炭作为一种吸附剂，在污染物处理方面具有以下优点：吸附容量高，对低浓度NOx吸附能力强[1]具有较强的吸附性和催化性能，原料来源充足且安全性高，化学性质稳定，机械强度高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生，是一种环境友好型吸附剂，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果，A.Fortuny等研究发现，活性炭在催化湿式氧化传统污水厂不能处理的含酚废水方面是有希望的替代品。在与其他金属催化剂的240h对比测试中，不负载任何金属的活性炭表现出最高的酚转化能力。研究表明，低灰分（质量分数3.75%）活性炭在酚的湿式氧化中有催化效应[2].不仅对色、嗅去除效果良好，而且对合成洗涤剂ABS、三卤甲烷（THMs）、卤代烃、游离氯也有较高的吸附能力，能有效地去除水中的某些重金属（如Hg、Sb、Sn、Cr）且不易产生二次污染，处理程度高，甚至达到饮用水标准，出水水质稳定。在河水中投入10mg/L 的活性炭可以将引起臭味的土臭素（Geosmin）和2－甲基异茨酸（MIB）从66mg/L降到2mg/L对于Pd2+，CrO2- 等离子的吸附去除率可达85%以上。对其他金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等均具有良好的吸附能力。在臭氧－生物活性炭工艺中，活性炭可以很快地把臭氧分解掉，使液体中的溶解氧量增加，从而稳定微生物的生息环境，为好气性微生物的生长提供保证。陈洪斌等对炼油厂外排污水采用悬浮载体生物接触氧化、砂滤和臭氧生物活性炭工艺深度处理，对主要污染物都有良好的去除效果[3]。宋志文等采用生物活性炭法处理低浓度甲醇废水，利用活性炭的吸附作用和生物膜的降解作用，处理效果明显好于树脂和单纯活性炭吸附。在其最佳运行条件下，当甲醇的质量浓度为11.3～23.mg/L时，去除率大于90%。Xie Qiang等研究发现，活性炭经硝酸改性后再负载硝酸铜进行二次活化制备高性能活性炭，可使硝酸铜的催化性能得到进一步的提升。刘红等发现，焦化废水在经3g/L的活性炭吸附后，再以1.5g/L的H2O2、0.4g/L Fe2＋的进行催化氧化，COD总去除率可达96.3%。陈颖等用载镍活性炭对含活性红X-3B废水进行处理，去除率能达到98.74%以上。[2]
因此，活性炭在环境科学中获得了广泛的应用，包括以下几个方面：
1、废水处理
（１）污水源的净化。用活性炭吸附水中有机物、颜色、臭味、油、苯酚等。
（２）有机工业废水处理。
（３）无机工业废水处理。金矿含氰废水经活性炭吸附法处理后,氰化物浓度可达排放标准0.5mg/L以下,氰化物去除效率达99 .8%～99. 9%。处理后CN-浓度C<0.5mg/L时的CN-吸咐量为6 .74mg/g～10. 24mg/g活性炭;处理后CN-浓度C<1/2初始浓度C0(mg/L)时的CN-吸咐量为12 50mg/g～28 92mg/g活性炭。活性炭对络合氰化物的吸附能力比对简单氰化物的吸附能力强。[4]
（４）饮用水及微污染水净化领域。
2、气体净化
（1）废气治理
无机废气处理方面，主要包括SO2、NO2的处理。[5]其处理过程首先是利用活性炭材料的吸附性能将烟气中的污染气体SO２ 和NOｘ物理吸附于活性炭材料表面，在活性炭材料表面官能团或担载金属的催化作用下，将SO２和NOｘ 转化为 SO３和N2,再用水吸收SO3[3]而在有机废气处理方面，吸附剂的应用领域包括含苯系物废气处理、醋酸丁酯废气处理、含烷烃废气处理、甲醇废气处理[6]
（2）空气净化
吸附剂用于清除苯、甲苯、挥发性有机化合物(VOC)、甲醛、氨等有毒气体，适用于宾馆、居室、汽车、冰箱、厕所、厨房、鞋柜、鞋除味等，由于其安全环保、无毒无害，无二次污染，日晒下可反复使用，处理费用为其他方法的1/10～1/20，故在空气净化方面也广受欢迎。
(二) 离子交换树脂
严格来说，离子交换树脂不能算是一种吸附剂，但如果把离子交换树脂上的离子看成是因为静电引力而聚集在树脂表面的，那离子交换树脂也可看作是一种广义的吸附剂。实际中应用的离子交换剂有离子交换树脂、沸石等等，离子交换树脂有凝胶型和大孔型。前者有选择性，后者制造复杂、成本高、再生剂耗量大，因而在应用上受到很大限制。这种材料的应用越来越多，如膨润土，它是以蒙脱石为主要成分的粘土，具有吸水膨胀性好、比表面积大、较强的吸附能力和离子交换能力，若经改良后其吸附及离子交换的能力更强。但是却较难再生，天然沸石在对重金属废水的处理方面比膨润土具有更大的优点：内部多孔，比表面积大，具有独特的吸附和离子交换能力。若用NaCl对天然沸石进行预处理可提高吸附和离子交换能力。通过吸附和离子交换再生过程，废水中重金属离子浓度可浓缩提高30倍。沸石去除铜，在NaCl再生过程中，去除率达97%以上，可多次吸附交换，再生循环，而且对铜的去除率并不降低。
三、结论
1、 吸附剂由于其巨大的表面积而表现出对物质明显的富集作用，环境科学领域中污水治理，气体净化等方面即利用吸附剂对污染物的吸附来把污染物从废气、废水中转移至吸附剂表面，达到除去污染物的目的。
2、 吸附法处理废水由于净化效率高、可回收有用组分、设备简单、易实现自动化控制等优点而在废水、废气处理中得到广泛的应用。
3、 虽然固体吸附剂种类繁多，但由于活性炭具有如净化效率高，吸附容量大，原料来源充足且安全性高，化学性质稳定，机械强度高，耐酸碱、耐热等优异的性能而主导着吸附法处理技术的应用。
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