理解活性炭吸附
吸附是一种关键的水处理工艺，利用固体材料有效去除水中的可溶性物质。在此过程中，活性炭作为主要的固体吸附剂。活性炭经过特殊设计，具有极大的内表面积，通常在每克500至1500平方米（m²/g）之间。这种广泛的内部孔隙结构使活性炭成为理想的吸附介质。
活性炭主要有两种形式：
- 粉末活性炭（PAC）：细粉状，用于批量处理或间歇投加。
- 颗粒活性炭（GAC）：较大的颗粒，主要用于水处理应用中的连续流系统，因其可再生性且适用于固定床过滤器。
活性炭吸附的目标污染物
颗粒活性炭（GAC）能高效去除水中多种可溶性物质，尤其是有机非极性化合物。这些物质包括：
- 有机非极性物质：
- 矿物油
- BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）
- 多环芳烃（PAHs）
- （氯）酚类
- 卤代物质： 碘、溴、氯、氢和氟的化合物
- 感官不良影响：
- 异味
- 口感
- 生物及发酵副产物：
- 酵母
- 各种发酵产物
- 一般非极性物质： 在水中溶解度较低的化合物。
工艺描述：活性炭过滤器的工作原理
使用活性炭进行水处理通常涉及将水泵送通过填充有活性炭的柱体。处理后的水通过排水系统从柱体流出。活性炭柱的效率与活性水平受水温以及所处理物质具体性质等因素的影响。
当水持续流经柱体时，可溶性物质会积聚在碳的表面。这种积累会逐渐耗尽过滤器的能力，需要定期更换或再生活性炭。颗粒活性炭（GAC）通常可以通过氧化吸附的有机物进行再生。然而，再生过程通常会导致活性炭效率下降5-10%，并且少量碳材料会被破坏，需要补充。
为了提高处理可靠性并防止系统完全失效，通常的做法是串联运行多个活性炭柱。
吸附机理
吸附涉及气体或液相中的分子物理附着到固体（此处为活性炭）表面。该过程主要分为三个步骤：
- 宏观传输： 目标有机物质通过活性炭较大的大孔系统移动。大孔定义为直径大于50纳米（nm）或0.05微米（µm）的孔隙。
- 微观传输： 有机物质随后通过活性炭内的中孔和微孔系统移动。中孔直径范围为2-50 nm（0.002-0.05 µm），而微孔直径小于2 nm（<0.002 µm）。
- 吸附： 有机物质物理附着（吸附）到活性炭的内表面，主要发生在中孔和微孔内。
吸附的整体活性水平受水中物质浓度、水温以及物质极性的影响。非极性物质（在水中溶解度低）通常能被活性炭非常有效地去除，而极性物质（在水中溶解度高）则去除效果差或根本无法去除。
每种活性炭都表现出独特的吸附等温线，该等温线以图形方式表示吸附物质的数量与其平衡浓度之间的关系。在水处理中，常使用弗罗因德利希等温线来描述这种关系：
$$ \frac{x}{m} = K_f \cdot C_e^{\frac{1}{n}} $$
其中：
- $\frac{x}{m}$ = 单位质量活性炭吸附的物质数量（例如，mg/g）
- $C_e$ = 浓度差（吸附前后），代表有效平衡浓度（例如，mg/L）
- $K_f$ 和 $n$ = 吸附系统的特定经验常数
吸附与吸收：关键区别
区分吸附与吸收非常重要：
- 吸附 描述的是表面现象，即一种物质附着在另一种材料的表面（例如，分子附着在活性炭的内表面）。
- 吸收 指的是体相现象，即一种物质被吸收到另一种材料的体积内部，或者气体溶解在液体溶液中。
影响活性炭性能的因素
活性炭在水处理和空气净化应用中的效果由多个参数决定。
在水处理中
- 化合物特性： 分子量较高、溶解度较低的化合物通常更容易被吸附。
- 浓度： 目标化合物的浓度越高，通常会导致活性炭消耗量增加。
- 竞争： 其他有机化合物的存在会竞争活性炭上的可用吸附位点，可能降低主要目标污染物的去除效率。
- pH值： 水流的pH值会显著影响吸附效果。例如，酸性化合物通常在较低（更酸性的）pH值下更容易被去除。
在空气净化中
- 化合物特性： 分子量高、蒸气压低（或沸点高）以及折射率高的化合物通常表现出更好的吸附性能。
- 浓度： 污染物浓度越高，活性炭消耗量越大。
- 温度： 较低的温度通常能增强吸附容量。
- 压力： 较高的压力往往能提高吸附容量。
- 湿度： 较低的湿度水平通常能带来更好的吸附容量。
水中化学吸附概率
基于化学性质和经验数据，可以根据物质在水中被活性炭有效吸附的概率对其进行分类：
1. 吸附概率极高的化学品：
- 2,4-滴
- 去异丙基莠去津
- 利谷隆
- 甲草胺
- 去乙基莠去津
- 马拉硫磷
- 艾氏剂
- 内吸磷-O
- 2甲4氯
- 蒽
- 邻苯二甲酸二正丁酯
- 2甲4氯丙酸
- 莠去津
- 1,2-二氯苯
- 吡唑草胺
- 谷硫磷-乙基
- 1,3-二氯苯
- 2-甲基苯胺
- 苯达松
- 1,4-二氯苯
- 甲基萘
- 联苯
- 2,4-二氯甲酚
- 2-甲基丁烷
- 2,2-联吡啶
- 2,5-二氯苯酚
- 灭草隆
- 邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯
- 3,6-二氯苯酚
- 萘
- 溴草腈
- 2,4-二氯苯氧基
- 硝基苯
- 溴二氯甲烷
- 狄氏剂
- 间硝基苯酚
- 对溴苯酚
- 邻苯二甲酸二乙酯
- 邻硝基苯酚
- 丁基苯
- 2,4-二硝基甲酚
- 对硝基苯酚
- 次氯酸钙
- 2,4-二硝基甲苯
- 臭氧
- 克百威
- 2,6-二硝基甲苯
- 对硫磷
- 氯气
- 敌草隆
- 五氯苯酚
- 二氧化氯
- 硫丹
- 扑灭津
- 氯苯
- 异狄氏剂
- 西玛津
- 4-氯-2-硝基甲苯
- 乙苯
- 特丁通
- 2-氯苯酚
- 六氯苯
- 四氯乙烯
- 氯甲苯
- 六氯丁二烯
- 三氯吡氧乙酸
- 䓛
- 己烷
- 1,3,5-三甲苯
- 间甲酚
- 异艾氏剂
- 间二甲苯
- 氰草津
- 异辛烷
- 邻二甲苯
- 环己烷
- 异丙隆
- 对二甲苯
- DDT
- 林丹
- 2,4-二甲酚
2. 吸附概率高的化学品：
- 苯胺
- 二溴-3-氯丙烷
- 1-戊醇
- 苯
- 二溴氯甲烷
- 苯酚
- 苯甲醇
- 1,1-二氯乙烯
- 苯丙氨酸
- 苯甲酸
- 顺-1,2-二氯乙烯
- 邻苯二甲酸
- 双(2-氯乙基)醚
- 反-1,2-二氯乙烯
- 苯乙烯
- 溴二氯甲烷
- 1,2-二氯丙烷
- 1,1,2,2-四氯乙烷
- 溴仿
- 乙烯
- 甲苯
- 四氯化碳
- 对苯二酚
- 1,1,1-三氯乙烷
- 1-氯丙烷
- 甲基异丁基酮
- 三氯乙烯
- 绿麦隆
- 4-甲基苯胺
- 乙酸乙烯酯
3. 吸附概率中等的化学品*：
- 乙酸
- 乐果
- 蛋氨酸
- 丙烯酰胺
- 乙酸乙酯
- 甲基叔丁基醚
- 氯乙烷
- 乙醚
- 甲基乙基酮
- 氯仿
- 氟利昂 11
- 吡啶
- 1,1-二氯乙烷
- 氟利昂 113
- 1,1,2-三氯乙烷
- 1,2-二氯乙烷
- 氟利昂 12
- 氯乙烯
- 1,3-二氯丙烯
- 草甘膦
- 敌草克
- 甲氧咪草烟
* 对于这些化学品，活性炭仅在特定条件下有效。
4. 使用活性炭吸附可能无效的化学品：
- 丙酮
- 二氯甲烷
- 乙腈
- 1-丙醇
- 丙烯腈
- 丙腈
- 二甲基甲醛
- 丙烯
- 1,4-二氧六环
- 四氢呋喃
- 异丙醇
- 尿素
- 氯甲烷
AquaChain 工程提示
当串联运行多个活性炭柱时，请持续监测首柱的出水。该柱出现轻微穿透表明其已接近饱和，从而可以在后续柱的整体处理效率受到影响之前，及时进行轮换或再生。
常见问题解答
问：粉末活性炭 (PAC) 和颗粒活性炭 (GAC) 的主要区别是什么？ 答：PAC 是一种细粉，通常用于批次处理或定期投加，具有高比表面积以实现快速吸附。GAC 由较大的颗粒组成，适用于固定滤床中的连续流系统，并且在大规模水处理中因其可再生性而更受青睐。
问：为什么活性炭去除非极性物质比去除极性物质更有效？
答：吸附主要是一个物理过程，非极性物质在水中的溶解度较低，会被优先吸引并附着在活性炭的非极性表面上。极性物质在水中的溶解度较高，与水分子有更强的亲和力，因此不易被吸附到活性炭表面。
问：通常如何再生废弃的活性炭？
答：颗粒活性炭（GAC）通常通过热氧化法进行再生，即在受控炉中烧掉有机污染物。虽然这种方法有效，但通常会导致5-10%的碳效率损失和部分材料损耗，因此需要定期补充损失的碳。
有关过滤方法的更多信息，请参阅我们的指南：[过滤]( {{ '/en/tech-library/filtration-2075b0022' | url }} )。