基于選擇性吸附凈化原理的多級(jí)活性炭吸附床系統(tǒng)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多級(jí)活性炭吸附床凈化系統(tǒng)，主要適用于給水排水處理技術(shù)領(lǐng) 域，可應(yīng)用于原水與污水的深度凈化處理工程。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，有機(jī)物的種類和使用量不斷增加。有機(jī)物的廣泛使 用不可避免地通過(guò)各種渠道進(jìn)入到作為飲用水水源的水體中，作為水源的河流、水庫(kù)、湖泊 受到不同程度的有機(jī)物污染。并且W酪類為代表的人工合成小分子有機(jī)物，能夠造成水體 長(zhǎng)久性污染并且處理難度極大。有機(jī)物還會(huì)在水體和±壤中不斷的積累，然后通過(guò)食物鏈 進(jìn)入生物體并逐漸富集，最后進(jìn)入人體，對(duì)人類產(chǎn)生毒害作用。此外水體中普遍存在W腐殖 酸為主的天然大分子有機(jī)物，天然大分子有機(jī)物是由分子量不同、化學(xué)特性為異的多種組 分構(gòu)成的，它的存在能夠顯著增加致癌性消毒副產(chǎn)物的形成。目前，一般的有機(jī)物處理技術(shù) 包括絮凝，氧化方法和生物處理法在應(yīng)用于有機(jī)污染物處理時(shí)存在處理量不足、成本高等 問(wèn)題。因此，因此開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的有機(jī)物處理技術(shù)是水中污染治理的關(guān)鍵。
[0003] 活性炭是W碳元素為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)方法加工而成的一種多孔性吸附材料， 具有內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大和吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)。因此在各種改善水質(zhì)和提高凈 水效果的深度處理技術(shù)中，活性炭吸附技術(shù)是彌補(bǔ)常規(guī)水工藝存在的問(wèn)題最成熟的方法之 一?；钚蕴课郊夹g(shù)早在20世紀(jì)20年代便已經(jīng)在國(guó)外被用于去除水中的臭和味?；钚蕴?對(duì)有機(jī)物的去除主要是內(nèi)部各種孔隙的吸附作用，因此活性炭的孔隙分布結(jié)構(gòu)決定了它對(duì) 不同分子大小有機(jī)污染物的去除效果?；钚蕴康膬?nèi)部孔隙一般可W分為大孔、介孔和微孔。 活性炭的吸附作用主要依賴于分子間作用力、化學(xué)鍵力和靜電吸引力形成的吸附，物質(zhì)之 所W在兩相界面上產(chǎn)生濃度自動(dòng)變化，關(guān)鍵在于存在于吸附劑和吸附質(zhì)之間的運(yùn)Ξ種不同 的作用力，運(yùn)Ξ種作用力分別形成了物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附，它們構(gòu)成了活性炭的 吸附特性。
[0004] 經(jīng)專利檢索，國(guó)內(nèi)外采用多級(jí)活性炭吸附床處理水中有機(jī)污染物的研究較少。此 夕F，就目前而言，活性炭吸附應(yīng)用主要存在天然大分子有機(jī)物與小分子有機(jī)物競(jìng)爭(zhēng)吸附、小 分子有機(jī)物聚合產(chǎn)物易堵塞活性炭空隙使飽和活性炭的再生困難、對(duì)于天然大分子有機(jī)物 吸附速率緩慢的問(wèn)題。因此亟需設(shè)計(jì)一種針對(duì)不同種類有機(jī)物均可行有效的活性炭吸附處 理系統(tǒng)，W更好的滿足水體中有機(jī)污染物處理需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于選擇性吸附凈化原理的多級(jí)活性 炭吸附床系統(tǒng)，其處理效率高、適用多種有機(jī)污染物去除，能夠?qū)Σ煌N類的有機(jī)污染物進(jìn) 行選擇性吸附，同時(shí)提供良好的活性炭再生效率。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：基于選擇性吸附凈化原理的多級(jí) 活性炭吸附床系統(tǒng)，包括布置于吸附通道前段的第一活性炭吸附床和布置于吸附通道后段 的第二活性炭吸附床，所述第一活性炭吸附床承載有高介孔結(jié)構(gòu)活性炭，所述第二活性炭 吸附床承載有超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭，所述高介孔結(jié)構(gòu)活性炭能夠吸附凈化天然大分子有機(jī) 物，所述超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭能夠吸附凈化人工合成小分子有機(jī)物。
[0007] 在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可W采用或者組合采用W下進(jìn)一步的技術(shù) 方案： 所述高介孔結(jié)構(gòu)活性炭W塊狀形式緊密排列在第一活性炭吸附床內(nèi)，所述超高微孔結(jié) 構(gòu)活性炭W塊狀形式緊密排列在第二活性炭吸附床內(nèi)。
[0008] 所述超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭能夠抑制人工合成小分子有機(jī)物在有氧狀態(tài)下發(fā)生聚 合反應(yīng)。
[0009] 所述高介孔結(jié)構(gòu)活性炭的邸T比表面積為1696m2/g，介孔體積為0.672cm3/g， 總孔體積為1. 025cm3/g，介孔比例為65.6%。
[0010] 所述超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭的邸T比表面積為1476m2/g，微孔體積為0.683cm3/ g，總孔體積為0. 841cm3/g，微孔比例為81. 3%。
[0011] 本發(fā)明的多級(jí)吸附系統(tǒng)在吸附凈化的過(guò)程中采用多級(jí)吸附的方式，具體分為前段 和后段，前段采用高介孔結(jié)構(gòu)活性炭進(jìn)行吸附凈化，高介孔結(jié)構(gòu)活性炭具備適用于吸附凈 化天然大分子有機(jī)物的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠選擇性的有效去除天然大分子有機(jī)污染物，從 而有效避免了天然大分子有機(jī)物與人工合成小分子有機(jī)物在后段吸附床中的競(jìng)爭(zhēng)吸附作 用，大大提高后段吸附床對(duì)于小分子有機(jī)物的吸附效率，后段采用超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭進(jìn) 行吸附凈化，超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭不僅能夠有效去除人工合成小分子有機(jī)污染物，而且活 性炭所具備的超高微孔孔隙結(jié)構(gòu)能夠有效抑制人工合成小分子有機(jī)物在有氧狀態(tài)下所發(fā) 生聚合反應(yīng)，從而大大提高了活性炭的再生效率。
[0012] 本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供上述基于選擇性吸附凈化原理的多級(jí) 活性炭吸附床系統(tǒng)的制備方法，所述制備方法首先包括制備高介孔結(jié)構(gòu)活性炭和超高微孔 結(jié)構(gòu)活性炭的步驟，制備高介孔結(jié)構(gòu)活性炭的步驟是： (1) 將無(wú)煙煤粉碎，過(guò)28-40目篩；將氨氧化鐘顆粒粉碎；按照質(zhì)量比為1:4將無(wú)煙煤 與氨氧化鐘均勻混合；同時(shí)按照每克氨氧化鐘加入一毫升去離子水的比例，將去離子水加 入至無(wú)煙煤和氨氧化鐘混合物，使混合物變?yōu)槟酄睿?(2)將混合物放置于管式活化爐中，在110oC下混合放置12小時(shí)； (3) 將放置后的無(wú)煙煤在800〇C下活化2小時(shí)，并且全程通入氮?dú)釽保證惰性氛圍，具 體氮?dú)饬魉俦３衷?00ml/min; (4) 然后在氣氣氛圍下，將所得活性炭在900〇C下熱處理20小時(shí)； (5)然后利用5mol/L濃度的鹽酸洗涂殘留活性炭表面的氨氧化鐘；然后利用去離子 水反復(fù)洗涂至抑為6. 5-7,制備出活性炭； (6) 將制備的活性炭在105〇C下烘干，粉碎，包裝放入密封容器中待用； 制得的產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。 柳1引表1
制備超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭的步驟是： (1) 將無(wú)煙煤粉碎，過(guò)28-40目篩；將氨氧化鐘顆粒粉碎；按照質(zhì)量比為1:2將無(wú)煙煤 與氨氧化鐘均勻混合；同時(shí)按照每克氨氧化鐘加入一毫升去離子水的比例，將去離子水加 入至無(wú)煙煤和氨氧化鐘混合物，使混合物變?yōu)槟酄睿?(2) 將混合物放置于管式活化爐中，在110oC下混合放置12小時(shí)； (3) 將放置后的無(wú)煙煤在650〇C下活化2小時(shí)，并且全程通入氮?dú)釽保證惰性氛圍，具 體氮?dú)饬魉俦３衷?00ml/min; (4) 然后利用5mol/L濃度的鹽酸洗涂殘留活性炭表面的氨氧化鐘；然后利用去離子 水反復(fù)洗涂至抑為6. 5-7,制備出活性炭； (5) 將制備的活性炭在105〇C下烘干，粉碎，包裝放入密封容器中待用； 制得的產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)如表2所示。
[0014]表2
在上述步驟完成后，分別將制得的高介孔結(jié)構(gòu)活性炭和超高微孔結(jié)構(gòu)活性炭W塊狀結(jié) 構(gòu)的形式和緊密排列的方式分別裝入第一活性炭吸附床和第二活性炭吸附床內(nèi)，再將第一 活性炭吸附床和第二活性炭吸附床依次布置在吸附通道上，形成所述多級(jí)活性炭吸附床系 統(tǒng)。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是： 1、在前段吸附床中放置制備的高介孔結(jié)構(gòu)活性炭，此種活性炭的介孔（20-500A)比例 達(dá)到66%，由于絕大多數(shù)天然大分子有機(jī)物的分子大小在20-60A之間，因此活性炭非常適 合于天然大分子有機(jī)物的吸附，其次，從表1中活性炭表面的總酸堿度和零點(diǎn)電位可W發(fā) 現(xiàn)，活性炭表面具備相當(dāng)多的堿性官能團(tuán)，因此通過(guò)活性炭表面的堿性官能團(tuán)與天然大分 子有機(jī)物的酸性簇基之間的酸堿中和作用，能夠有效提高活性炭對(duì)于天然大分子有機(jī)物的 吸附作用。通過(guò)上述作用，活性炭能夠很好的選擇性吸附水體中的天然大分子有機(jī)污染物。 因此，水體在通過(guò)多級(jí)活性炭吸附床時(shí)，天然大分子有機(jī)污染物能夠被前端吸附床中的活 性炭有效去除。
[0016] 2、水流經(jīng)前端吸附后流入后段活性炭吸附床，此段吸附床中放置制備的高微孔結(jié) 構(gòu)活性炭，其比表面積達(dá)到1476m2/g，因此能夠提供足夠吸附位從而有效去除水體中的小 分子有機(jī)污染物。此外，由于此種活性炭的微孔（0-20A)比例達(dá)到81%，因此能夠保證絕大 多數(shù)被吸附的有機(jī)污染物皆為單分子狀態(tài)，而聚合反應(yīng)而形成的多聚物由于過(guò)大的尺寸則 不能被活性炭吸附，從而有效抑制聚合反應(yīng)在活性炭表面的發(fā)生，而由于單分子狀態(tài)的有 機(jī)污染物在活性炭再生過(guò)程中很容易被解析出來(lái)，因此應(yīng)用此種活性炭能夠極大的提高活 性炭的再生效率，增加活性炭使用的性價(jià)比。
[0017] 3、本發(fā)明具有處理效率高、投資省、運(yùn)行維持費(fèi)用低、能耗低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)， 尤其當(dāng)來(lái)水中存在多組分有機(jī)污染物是，亦能較好的進(jìn)行選擇性逐批次完成吸附凈化。
【附圖說(shuō)明】
[001引圖1是前段吸附床承載活性炭的制備流程圖。
[0019] 圖2是后段吸附床承載活性炭的制備流程圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明的多級(jí)活性炭吸附床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例1，制備高介孔結(jié)構(gòu)活性炭。
[0022] 如圖1所示，適宜天然大分子有機(jī)物吸附的