煤基活性炭在市政供水方面的應(yīng)用
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活性炭吸附工藝在市政供水方面的應(yīng)用關(guān)于市政供水領(lǐng)域深度凈化技術(shù)，我國(guó)從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)從國(guó)外引進(jìn)了活性炭吸附工藝水深度處理。活性炭吸附法通常需要興建活性炭濾池或是活性炭吸附塔。一般市政供水領(lǐng)域在絮凝-沉淀-活性炭吸附系統(tǒng)中，由于市政供水量很大，用于除臭、除味，活性炭的使用壽命通常可達(dá)2～3年以上；僅依靠活性炭的吸附性能處理水中有機(jī)物很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，一般幾個(gè)月就會(huì)失去使用效果。活性炭吸附法去除水中的污染物，針對(duì)選炭可根據(jù)活性炭的碘值、亞甲藍(lán)值來(lái)評(píng)價(jià)；或是依據(jù)水源中有機(jī)物分子量的分布情況，焦糖脫色率被證明也是非常有效的方法。
活性炭是一種由含碳物質(zhì)加工得到的人工碳材料，幾乎任何一種含碳的物質(zhì)都可以用來(lái)生產(chǎn)活性炭，例如木材、果核、果殼、泥炭以及所有不同變質(zhì)程度的煤、石油焦、合成高分子材料。與其他原料相比，煤炭來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，煤基活性炭機(jī)械強(qiáng)度大、化學(xué)穩(wěn)定性高。因此，煤已成為制造活性炭的主要原料，世界范圍內(nèi)煤基活性炭產(chǎn)量占活性炭總量的70%以上。
活性炭最重要的應(yīng)用是吸附分離，既用于液相吸附，如飲用水深度凈化，廢水處理，血液凈化，化工產(chǎn)品、油品、油脂等的精制、脫色、除雜，也用于氣相吸附，包括防毒面具，有機(jī)溶劑吸附回收及工業(yè)有機(jī)廢氣凈化，煙氣脫硫脫硝、空氣凈化等。此外，在催化、貴金屬提取與回收以及航天、生命科學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。煤基活性炭適用于用量較大的城市供水凈化、污水處理領(lǐng)域以及煙氣中污染物的控制。
孔結(jié)構(gòu)調(diào)控是在保證活性炭孔隙充分發(fā)育的前提下根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)節(jié)活性炭不同尺寸孔在總孔容中的比例，篩選原料煤、配煤、添加劑、優(yōu)化工藝參數(shù)等措施，可以在不同程度上控制炭化過(guò)程，使炭化向生成各向同性、非石墨化、反應(yīng)活性高、初生孔隙發(fā)達(dá)炭化物的方向發(fā)展，為活化階段活化劑-炭基質(zhì)間反應(yīng)速度的調(diào)變打下基礎(chǔ)，易于孔結(jié)構(gòu)調(diào)控；煤基活性炭定向制備技術(shù)已應(yīng)用于低灰高比表面積活性炭、磁性活性炭及兼有雙電層電容和法拉第電容的高容量電極炭的研制。
此外，在單種活性炭難以滿足應(yīng)用途徑對(duì)活性炭提出的綜合性能指標(biāo)要求的情況下，配炭或是一種有效的解決途徑。活性炭孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)量化調(diào)控、中孔活性炭的制備、配炭等研究尚待進(jìn)一步深入；活性炭應(yīng)用研究、利用西部高堿煤中內(nèi)源性堿（土）金屬調(diào)控煤質(zhì)活性炭孔結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)潔凈活性炭生產(chǎn)工藝，是煤基活性炭定向制備面臨的新課題。
1 煤基環(huán)保炭材料應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1 煙氣凈化
目前，我國(guó)的大氣環(huán)境問(wèn)題主要在于工業(yè)生產(chǎn)排放的SO2和NOx超過(guò)大氣環(huán)境容量，近些年頻發(fā)的霧霾與硫酸鹽/硝酸鹽類(lèi)氣溶膠有著較高的相關(guān)性。活性炭煙氣脫硫脫硝是目前最有效的脫除SO2和NOx的技術(shù)之一，采用活性炭干法煙氣脫硫脫硝技術(shù)具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，可將煙氣中SO2、NOx和粉塵進(jìn)行一體化脫除，并且廢水、廢渣等二次污染排放量少[6-8]。該技術(shù)可將煙氣中的SO2資源化，用于生產(chǎn)硫酸或者硫銨等化工產(chǎn)品。
近幾年，活性炭干法煙氣凈化技術(shù)在化工、有色冶煉及鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較多。煙氣凈化用活性炭的直徑通常為9 mm或者6 mm的柱狀顆粒活性炭(Extruded Activated Carbon, EAC)，也稱為活性焦(Activated coke)。由于煙氣凈化用活性炭在移動(dòng)床裝置內(nèi)使用需要較高的耐磨及耐壓強(qiáng)度，而對(duì)孔隙的發(fā)達(dá)程度要求又較低，因此通常選用比表面積為300～400 m2/g的活性炭[9-10]。煙氣凈化用活性炭生產(chǎn)主要以煤炭為原料，國(guó)內(nèi)初始生產(chǎn)階段是以無(wú)煙煤為主要原料，隨后生產(chǎn)企業(yè)掌握了以低變質(zhì)程度原料煤為主配煤用于生產(chǎn)合格煙氣凈化用活性炭的工藝，降低了該種活性炭的成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煙氣凈化用活性炭需求激增，其產(chǎn)能呈現(xiàn)“井噴式”增長(zhǎng)，由2019年末的20萬(wàn)t/a增加至目前的60萬(wàn)t/a。
活性炭在煙氣凈化方面的使用還包括脫除垃圾焚燒電廠所產(chǎn)生的二口惡英，主要為粉狀活性炭(Powered Activated Carbon，PAC)，采用“活性炭噴射+布袋除塵過(guò)濾”工藝吸附煙道氣中的二口惡英。由于二口惡英的分子直徑較大，孔徑為2～5 nm內(nèi)孔隙較為發(fā)達(dá)的活性炭，才能對(duì)其起到較為理想的吸附和脫除效果[5]。目前，垃圾焚燒電廠在我國(guó)南方地區(qū)大量建設(shè)，此類(lèi)活性炭的需求也在不斷增加。
1.2 VOCs廢氣治理
揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是近年來(lái)國(guó)家環(huán)保關(guān)注的重點(diǎn)，VOCs不僅會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生直接的危害，而且會(huì)引起霧霾和近地面臭氧污染。我國(guó)大約每年產(chǎn)生3 000萬(wàn)t的VOCs，其中超過(guò)1/2的VOCs是通過(guò)人類(lèi)的生產(chǎn)、生活所產(chǎn)生[11-12]。活性炭吸附法是脫除VOCs成本最低的技術(shù)，尤其適用于風(fēng)量相對(duì)較大、污染物含量低且排放不穩(wěn)定的工業(yè)廢氣治理[13]。
應(yīng)用于工業(yè)廢氣治理的活性炭包括蜂窩活性炭、顆粒活性炭和球狀活性炭，原料來(lái)源主要包括木材、果殼、瀝青和煤炭。煤基活性炭由于成本低、強(qiáng)度高、再生循環(huán)性能較好，在VOCs工業(yè)廢氣治理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。然而，由于VOCs種類(lèi)較為復(fù)雜，相應(yīng)的活性炭標(biāo)準(zhǔn)目前還尚未統(tǒng)一，有些應(yīng)用企業(yè)為了降低環(huán)保成本通常會(huì)選擇低品質(zhì)的活性炭，導(dǎo)致處理效果差、事故頻發(fā)等問(wèn)題。因此，VOCs處理用活性炭標(biāo)準(zhǔn)制定和嚴(yán)格執(zhí)行是相關(guān)機(jī)構(gòu)和環(huán)保部門(mén)的下一步重點(diǎn)工作。
1.3 食品加工
我國(guó)食品行業(yè)是世界上最大和最有潛力的市場(chǎng)，食品用活性炭在活性炭消費(fèi)量中占有較大比例。活性炭在食品工業(yè)中使用的主要目的是除去色素及其前驅(qū)物質(zhì)、調(diào)整香味、脫臭、除去膠體、除去妨礙結(jié)晶的物質(zhì)及提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性能。活性炭可以用于糖類(lèi)、飲料(酒、果汁)、脂和油、樹(shù)脂(膠、果膠、瓊脂)、鹽等食品類(lèi)物質(zhì)的脫色。
1.4 醫(yī)藥行業(yè)水體凈化
近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品種類(lèi)日益增多，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也較為凸顯。活性炭在醫(yī)藥行業(yè)的使用量大且應(yīng)用場(chǎng)景較多，如藥物合成過(guò)程應(yīng)用活性炭去除熱原、中間產(chǎn)物提純、廢氣處理、廢水凈化和脫色精制等。活性炭在制藥行業(yè)的廢氣和廢水處理中使用量較大，主要是利用活性炭的吸附性能將污染物脫除。尤其是制藥廢水中的有機(jī)物成分復(fù)雜、生物降解困難的有機(jī)物多、治理難度大且處理成本高，因此，制藥行業(yè)也被列為國(guó)家環(huán)保規(guī)劃重點(diǎn)整治的12個(gè)行業(yè)之一。
制藥廢水中含有大量有機(jī)物，其生物降解性能較差，且不可避免含有大量毒性較強(qiáng)的金屬離子。活性炭具有較好的化學(xué)吸附性能，可以有效吸附制藥廢水中的金屬離子，避免了廢水排出對(duì)環(huán)境的影響。粉狀活性炭(PAC)常用于混凝劑的聯(lián)合投放，在絮凝單元通過(guò)混合、攪拌使活性炭與吸附質(zhì)充分接觸，實(shí)現(xiàn)污染物吸附脫除。顆粒活性炭(GAC)填充在反應(yīng)器中作為濾料，如固定床、移動(dòng)床或流動(dòng)床均是其常用的裝置。
1.5 水體凈化
煤基活性炭適用于用量較大的城市供水凈化、污水處理領(lǐng)域。根據(jù)全球活性炭的生產(chǎn)及使用情況，大約70%的活性炭應(yīng)用于水處理，其中大多數(shù)為煤基活性炭[3]。根據(jù)凈水工藝的不同將粉狀活性炭、柱狀顆粒活性炭和破碎顆粒活性炭用于飲用水深度凈化、生活污水和工業(yè)廢水處理的不同工序中。
活性炭濾池為給水處理中的深度處理工藝，可以有效地去除水中色度、異嗅異味和溶解的有機(jī)污染物，提高供水水質(zhì)。顆粒活性炭在使用過(guò)程中根據(jù)原水水質(zhì)情況定期進(jìn)行反沖洗。一般采用水沖的形式，六天反洗一次，反沖強(qiáng)度需達(dá)到30%以上的濾池膨脹率。新炭主要以物理和化學(xué)吸附為主，使用一定時(shí)間炭表面形成生物膜后，則以生物降解作用為主。當(dāng)評(píng)價(jià)活性炭吸附效果的指標(biāo)降低到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以下，或某種污染物指標(biāo)穿透炭床時(shí)就必須進(jìn)行更換或再生。新炭使用時(shí)需要浸泡24-48小時(shí)，之后還應(yīng)進(jìn)行反沖洗，以便去除殘存的活性炭中的焦油及炭粉等雜質(zhì)。反洗次數(shù)和排水濁度可根據(jù)處理水用途確定，給水處理活性炭反洗排水濁度一般可控制在2-5NTU。
在使用粉末炭時(shí)，必須根據(jù)所要去除污染物的種類(lèi)和濃度進(jìn)行吸附試驗(yàn)，以確定活性炭種類(lèi)和所需的粉炭量。投加粉末炭之前，應(yīng)注意先將炭粉制成炭漿定量均勻的加入水中，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，除污染效果越好。在粉末炭的使用過(guò)程中還應(yīng)注意以下安全問(wèn)題；當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定比例時(shí)遇明火易發(fā)生爆炸，故操作間禁止吸煙、火花及明火；應(yīng)避免與氧化劑混放；由于粉末炭顆粒小、輕，在使用時(shí)應(yīng)注意粉塵污染，操作員須配備防塵口罩，避免吸入肺中。