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煤基活性炭在市政供水方面的應用
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活性炭吸附工藝在市政供水方面的應用關(guān)于市政供水領(lǐng)域深度凈化技術(shù)，我國從20世紀60年代就已經(jīng)從國外引進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?？蛇_2～3年以上；僅依靠活性炭的吸附性能處理水中有機物很容易達到飽和狀態(tài)，一般幾個月就會失去使用效果。活性炭吸附法去除水中的污染物，針對選炭可根據(jù)活性炭的碘值、亞甲藍值來評價；或是依據(jù)水源中有機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，煤炭來源廣泛、價格低廉，煤基活性炭機械強度大、化學穩(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，有機溶劑吸附回收及工業(yè)有機廢氣凈化，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、生命科學等領(lǐng)域也有廣泛的應用。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程，使炭化向生成各向同性、非石墨化、反應活性高、初生孔隙發(fā)達炭化物的方向發(fā)展，為活化階段活化劑-炭基質(zhì)間反應速度的調(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用途徑對活性炭提出的綜合性能指標要求的情況下，配炭或是一種有效的解決途徑?；钚蕴靠捉Y(jié)構(gòu)的精準量化調(diào)控、中孔活性炭的制備、配炭等研究尚待進一步深入；活性炭應用研究、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)保炭材料應用現(xiàn)狀
1.1 煙氣凈化
目前，我國的大氣環(huán)境問題主要在于工業(yè)生產(chǎn)排放的SO2和NOx超過大氣環(huán)境容量，近些年頻發(fā)的霧霾與硫酸鹽/硝酸鹽類氣溶膠有著較高的相關(guān)性?；钚蕴繜煔饷摿蛎撓跏悄壳白钣行У拿摮齋O2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，可將煙氣中SO2、NOx和粉塵進行一體化脫除，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床裝置內(nèi)使用需要較高的耐磨及耐壓強度，而對孔隙的發(fā)達程度要求又較低，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，國內(nèi)初始生產(chǎn)階段是以無煙煤為主要原料，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，國內(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，由2019年末的20萬t/a增加至目前的60萬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)達的活性炭，才能對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南方地區(qū)大量建設(shè)，此類活性炭的需求也在不斷增加。
1.2 VOCs廢氣治理
揮發(fā)性有機物(VOCs)是近年來國家環(huán)保關(guān)注的重點，VOCs不僅會對人體產(chǎn)生直接的危害，而且會引起霧霾和近地面臭氧污染。我國大約每年產(chǎn)生3 000萬t的VOCs，其中超過1/2的VOCs是通過人類的生產(chǎn)、生活所產(chǎn)生[11-12]?；钚蕴课椒ㄊ敲摮齎OCs成本最低的技術(shù)，尤其適用于風量相對較大、污染物含量低且排放不穩(wěn)定的工業(yè)廢氣治理[13]。
應用于工業(yè)廢氣治理的活性炭包括蜂窩活性炭、顆?；钚蕴亢颓驙罨钚蕴?，原料來源主要包括木材、果殼、瀝青和煤炭。煤基活性炭由于成本低、強度高、再生循環(huán)性能較好，在VOCs工業(yè)廢氣治理領(lǐng)域應用最為廣泛。然而，由于VOCs種類較為復雜，相應的活性炭標準目前還尚未統(tǒng)一，有些應用企業(yè)為了降低環(huán)保成本通常會選擇低品質(zhì)的活性炭，導致處理效果差、事故頻發(fā)等問題。因此，VOCs處理用活性炭標準制定和嚴格執(zhí)行是相關(guān)機構(gòu)和環(huán)保部門的下一步重點工作。
1.3 食品加工
我國食品行業(yè)是世界上最大和最有潛力的市場，食品用活性炭在活性炭消費量中占有較大比例?；钚蕴吭谑称饭I(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、飲料(酒、果汁)、脂和油、樹脂(膠、果膠、瓊脂)、鹽等食品類物質(zhì)的脫色。
1.4 醫(yī)藥行業(yè)水體凈化
近年來，我國醫(yī)藥行業(yè)快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)品種類日益增多，由此帶來的環(huán)境問題也較為凸顯。活性炭在醫(yī)藥行業(yè)的使用量大且應用場景較多，如藥物合成過程應用活性炭去除熱原、中間產(chǎn)物提純、廢氣處理、廢水凈化和脫色精制等?；钚蕴吭谥扑幮袠I(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物成分復雜、生物降解困難的有機物多、治理難度大且處理成本高，因此，制藥行業(yè)也被列為國家環(huán)保規(guī)劃重點整治的12個行業(yè)之一。
制藥廢水中含有大量有機物，其生物降解性能較差，且不可避免含有大量毒性較強的金屬離子?；钚蕴烤哂休^好的化學吸附性能，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，在絮凝單元通過混合、攪拌使活性炭與吸附質(zhì)充分接觸，實現(xiàn)污染物吸附脫除。顆?；钚蕴?GAC)填充在反應器中作為濾料，如固定床、移動床或流動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?；钚蕴亢推扑轭w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污染物，提高供水水質(zhì)。顆粒活性炭在使用過程中根據(jù)原水水質(zhì)情況定期進行反沖洗。一般采用水沖的形式，六天反洗一次，反沖強度需達到30%以上的濾池膨脹率。新炭主要以物理和化學吸附為主，使用一定時間炭表面形成生物膜后，則以生物降解作用為主。當評價活性炭吸附效果的指標降低到相關(guān)標準以下，或某種污染物指標穿透炭床時就必須進行更換或再生。新炭使用時需要浸泡24-48小時，之后還應進行反沖洗，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，必須根據(jù)所要去除污染物的種類和濃度進行吸附試驗，以確定活性炭種類和所需的粉炭量。投加粉末炭之前，應注意先將炭粉制成炭漿定量均勻的加入水中，接觸時間越長，除污染效果越好。在粉末炭的使用過程中還應注意以下安全問題；當粉塵濃度達到一定比例時遇明火易發(fā)生爆炸，故操作間禁止吸煙、火花及明火；應避免與氧化劑混放；由于粉末炭顆粒小、輕，在使用時應注意粉塵污染，操作員須配備防塵口罩，避免吸入肺中。