活性炭材料在环境保护中的应用
1 前言
      活性炭材料是一种重要的无定形碳素材料，为黑色多孔固体，孔隙结构发达，具有巨大的比表面积，一般可高达1000-3000 m2/g，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力。作为一种性能优良的吸附剂，活性炭材料具有独特的孔隙结构和表面活性官能团，化学性质稳定，机械强度高，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，并且能够再生循环使用，被广泛地应用于环保、化工、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域。世界发达国家从20世纪70年代开始，环保逐渐成为活性炭的主要消费市场，美国用于环保的活性炭占其总用量的66.22%，日本是75.41%。活性炭在我国的环境保护中已有广泛的应用，但是由于经济成本等种种因素，与发达国家相比仍有很大的差距。目前生态环境日益恶化，人们对保护地球，绿色技术及绿色产品的呼声越发高涨，以活性炭为代表的炭材料在环保领域中的应用将会进一步发展，其主要表现为污水处理、大气污染防治等各个方面的应用。
2 活性炭材料在环保中的应用
     2.1 活性炭材料在水处理中的应用
     由于活性炭材料具有良好的吸附能力，如活性炭纤维（ACF）能吸附工业废水中的多种有害物质及水中的大肠杆菌和氯，活性炭能吸附垃圾渗滤液中的甲醛、苯酚和苯胺，活性炭能吸附水中典型环境内分泌干扰物（2，4-二氯苯氧乙酸和壬基酚等），所以活性炭材料可用于处理含酚废水、含Hg+废水及染料废水。
活性炭用于水处理始于1932年的美国，用于芝加哥的自来水处理，并很快在各地自来水厂普及。然后又推广到工业用水、城市下水和工业废水处理等方面。目前发达国家大量使用活性炭进行水处理。发达国家水处理方面的活性炭用量占其总用量的40%左右。我国虽然有11万吨的产量，但出口7 万吨，真正用于国内环境保护的活性炭用量最多只有生产量的1/10左右。
    2.1.1 上水处理
    水质标准最严格的是饮用水和上水源水。它对水中的微量有毒成分、pH、大肠杆菌、生物耗氧量、臭味等都有相应的严格要求。自来水用活性炭处理，可以除去有机杂质、各种臭味，这比用氯和漂白粉处理好，它不会造成含氯碳氢化合物(如氯甲烷) 的形成。孙治荣等在深度净化饮用水的研究中发现，在连续运行的方式下活性炭对有机物的去除效果较好。此外，活性炭处理自来水不会导致Ca、Mg的损失。随着科技的进步，人们对饮用水的质量要求越来越严格。原来指标意义上的城市自来水已经不适合人类饮用,越来越多的国家和地区已对自来水的经营企业做出更加严格的规定，例如美国就严格规定,，城镇自来水厂如不采用活性炭处理就不准卖水。我国绝大多数城市饮用水达不到世界卫生组织规定的标准，其主要原因就是我国的自来水供给行业受成本限制，在水处理过程中只采用了少量活性炭或根本不用活性炭。
    2.1.2 工业用水的处理
    工业用水因使用目的不同而有不同的标准。高纯度水主要应用于电子工业、化学工业、医药工业。无论采用何种方法获得高纯度水,活性炭处理必然是不可缺少的一个环节。活性炭处理主要是除去有机物、胶质、农药残留物、游离氯、致“热原”和少量的二氧化碳和氧等气体(去除气体对高压或临界状态运行的发电锅炉尤为重要) 。
    2.1.3 城市居民生活污水的处理
    随着人类文明的进步和经济的发展，城市化进程必然加速，这就使城市居民生活污水污染水源的问题变得尤为严重。为了治理城市居民生活污水，一般采用“二级”或“三级”处理，活性炭通常用于三级处理中的第三级处理，经过三级处理的水质可达到总有机碳含量< 5 mg/ L ，高锰酸盐指数< 10 mg/L ，从而大大减轻对环境的破坏程度。
    2.1.4 工业废水的处理
    工业废水处理通常也分为“二级”和“三级”处理。活性炭吸附法作为工业废水深度处理的一种重要方法或环节，绝大多数用在第三级，活性污泥——活性炭吸附系统是目前最深度的处理系统。工业废水经活性炭净化处理后，不仅可以防止对自然水源的污染，而且可以回收部分有用的物质，如用活性炭吸附回收Ag等。
另外，由于活性炭对水中的有机物具有突出的去除能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦化废水处理及其他有机废水处理中。Tomaszewska 等研究了Mavmee 河中的有机污染物后指出：常规的处理方法不能有效地去除河水中的一些杀虫剂等物质，而活性炭则有较好的去除效果，在河水中投入10 mg/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66 mg/L 降到2mg/L。某些活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力。如颗粒状活性炭对于Ag+?, Pd2+?, Cd2+?, CrO42-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，所以其在无机废水处理中也有广泛的应用。
    2.2 活性炭材料在气体污染防治中的应用
    活性炭材料不仅对有机蒸汽有良好的吸附作用,对造成大气污染的几种主要气体，如工厂烟道排放的SO2 、汽车尾气排放的CO2 、NO2 、烃、醛类气体都能够吸附，因而活性炭还可制成干法脱硫装置及汽车尾气过滤装置。此外，活性炭还可吸附O3 、含氟气体、烟味、人体和仪器排放的多种异味，可制成空气净化器。
    2.2.1 室内空气污染的防治
    人们的日常生活，如居室、厨房、厕所以及公共场所等，由于人们的生活活动，都会给自己的生活小环境的空气带来一定程度的污染。其污染物主要是少量的H2S、SO2 、CO、CO2 、氮氧化物、NH3 、居室装潢的挥发性溶剂、油烟及汗酸臭味等等。采用活性炭吸附过滤法最为合适,通常是用活性炭过滤和空调、换气设备联用的方法。张金萍和李德生报道, 以活性炭纤维为滤材的空气过滤器对二氧化硫和氮氧化物的最大去除率分别为90.4 % 和76.6 % , 使室内空气质量达到规定的卫生要求。由此可见, 活性炭纤维作为净化室内空气的功能性材料具有广泛的应用前景。另外，汞是易挥发的剧毒物质，对人体危害极大，因此汞蒸汽污染的防治是环保的重要课题。经化学处理的活性炭可以有效地脱除空气或其他载气中的汞蒸汽。同时，活性炭法可用于测定室内外环境中氡。
    2.2.2 烟气脱硫脱硝
    煤炭燃烧在我国能源构成中占有很大的比例，而煤燃烧过程中排放出的SO2 和NOx(NO 和N2O)是主要的大气污染物，所以烟气污染是我国亟需解决的环境问题。在纷繁复杂的治理技术中，活性炭材料脱硫脱硝因其处理效果好、投资运行费用低、实现“资源化”、且易于再生利用等优点而引人注目。[1]烟气脱硫目前有3 种技术路线：石灰乳中和、高压电场氧化和活性炭脱硫，其原理如下：
     Ca (OH) 2 + SO2 →CaSO3 + H2 ,
     2SO2 + O2 高压电场或活性炭 2SO3 ，
     SO3 + H2O →H2SO4 ,
     2H2S + O2 →2S + 2H2O。
     3种方法各有利弊，石灰乳中和法具有上马快、易操作的优点,但生成物为亚石膏，二次处理只能掺入做水泥，硫元素没有很好利用；高压电场法具有设备简单、硫利用好，这是近年来才研究成功的方法，所得稀硫酸加氨水中和生成硫酸铵作为肥料，但硫化氢脱除有一定困难；活性炭脱硫国内外均比较成熟，而且可以脱除SO2 、H2S 和有机硫。国外大型烟气脱硫(如电厂脱硫) 和国内化肥厂的合成气脱硫大多采用活性炭脱硫工艺。
     在脱硝工艺中，目前研究较多的是以氨气为还原剂的还原法，反应机理如下式：
     4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O,
     2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O。
     Teng 等研究了在炭催化剂上用NH3 还原NO 的反应，反应温度范围为140-320℃。结果表明，活性炭的表面积在NH3 还原NO 的反应中起着重要的作用，随着活性炭比表面积的增大，反应中活性炭的活性增大；O2 的预处理是活性炭表面积增大的原因；在没有O2 存在的情况下，(Selective Catalytic Reduction, SCR)的表观活化能为(19±2) kJ/mol，在有O2 存在的情况下，SCR的表观活化能为(18±2) kJ/mol；NO 在低温时是NH3 浓度的弱函数，而在较高温度时是NH3 浓度的强函数。
     关于活性炭材料的脱硫脱硝，尽管在发电、焚烧炉、FCC 催化剂再生中获得实际应用，但是由于其脱硫脱硝工艺的差异性，完善的一体脱硫脱硝工艺还处于研究阶段。此外相对较高的制造成本也是限制活性炭材料在这一领域广泛应用的一个重要因素。
     2.2.3 汽车尾气污染防治
     研究表明：汽车已经成为城市空气的重要污染源之一，据测定，汽车燃油挥发物造成的污染占汽车总污染的30 %～40 % ，占尾气排气污染的60 %～70 %。燃油挥发物和排气中的碳氢化合物在紫外线照射下会造成光烟雾污染。此外燃油的挥发既浪费了能源，也给司机和乘客带来了不愉快的气味。发达国家，如美、日、西欧各国早在20 世纪70 年代就用活性炭吸附的燃油蒸发控制装置( ELCD) 来解决这一问题。我国近年来也正在进行这方面的研究开发。
3 展望
      我国活性炭材料的生产与开发还仅处于初始阶段，随着环境保护各项法规的进一步建立与完善和绿色化学时代的到来，活性炭纤维ACF 具有较好的发展前景。为了使活性炭这种神奇的绿色环保吸附材料能够更广泛地应用到垃圾焚烧、室内空气净化、高速公路隧道以及大城市交通过密地区的空气治理等新的领域，应当在有效降低其成本的同时，针对特定的场合和目的有针对性地进行改性，使其能够更好地应用于环境治理.如改进炭化活化工艺和设备，通过预处理或后处理改善活性炭的表面结构和性能，使之适合应用要求；发展活性炭废气、废水处理新工艺,解决诸如预处理、压降、ACF 装填方式等；通过触媒的选择和担载方法的改进，使金属及其氧化物在活性炭材料表面的分布以及与表面官能团的协同作用功能更加合理。