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环境科学与工程学院

英文翻译

活性炭制备废料及其在水相处理中的应用

摘要

商用活性炭是去除水相微污染物的首选吸附剂;然而，由于相关成本高，它的广泛使用受到限制。为了降低处理成本，人们尝试寻找廉价的替代活性炭(AC)前体，如废料。相关研究表明了使用废材料制备AC的情况;然而，这些研究仅限于废物的类型、制备程序或特定的水相应用。目前的工作致力于通过回收不同类型的废物材料制备AC，以及它在各种水相处理中的应用。显然，常规(来自农业和木材工业)和非传统(来自市政和工业活动)废物可用于制备AC，可用于各种水处理工艺，即去除有机污染物、染料、挥发性有机化合物和重金属。此外，可以通过物理或化学活化获得高表面积;但是，复合处理可以提高吸附剂的表面性能，从而提高其吸附能力。从中可以明显看出，用常规和非常规废料制备的活性炭可以有效地同商业废料竞争。当考虑到用于生产碳的原料和要去除的污染物时，活化过程进行了优化。

关键词 综述 活性炭 废品 水相处理

1.介绍

激活碳(AC)被认为是非常有效的吸附剂由于其高度发达的孔隙度、大的表面积(也可以达到3000平方米/g)表面化学,节电高和高度的表面反应。这些独特的特性使得AC材料成为一种用途广泛的材料，不仅被用作吸附剂，还被用作催化剂和催化剂载体，用于不同的目的，如去除气态或液相中的污染物以及化学物质的净化或回收。然而，由于生产成本高，这些材料往往比其他吸附剂更昂贵。

目前，有许多关于开发低成本吸附剂的研究，即利用废物来开发低成本吸附剂。此外，一些综述报告了它们在去除水相中特定污染物(主要是重金属和染料)方面所做的大量工作。Shukla等人提出了利用锯屑去除水中污染物的研究，Brown等人则综述了泥炭在废水中去除金属方面的应用。尽管使用这些低成本的吸附剂取得了令人满意的结果，但AC被认为在吸附更多的污染物方面更有效。AC生产成本可以通过选择便宜的原材料或采用适当的生产方法来降低;然而，如何制备具有特定特性的AC仍然是一个挑战，例如给定的孔径分布，以及使用低温处理的低成本原材料(较低的能源成本)。因此，找到既具有经济吸引力又比传统材料具有类似甚至更好的特点的低成本原材料具有极端的现实意义。从废物材料对减少废物处理费用的贡献来看，利用废物材料制备空调也很有吸引力，有助于环境保护。

有一些关于使用废料生产AC的评论(莫汉和皮特曼);然而，这类研究仅限于废物的类型、制备程序或特定的水相应用。目前的工作和评估文献致力于通过回收不同类型的废旧材料制备AC和其在各种水相处理中的应用，而且还概述了在水相应用的基本原则。

2.用于去除水相中污染物的AC

有机和无机化合物的水相吸附一直是AC的一个非常重要的应用。事实上，已知世界上大约80%的AC产品用于液相应用。此外，由于水源有限，世界各地使用空调处理废水受污染地下水的情况正在增加。在这种处理中，AC通常用作初级处理、其他净化过程之前的处理，或作为最终的三级或高级处理。

当使用AC时，吸附过程是碳表面与吸附物相互作用的结果。这些相互作用可以是静电的，也可以是非静电的。当吸附物是在水溶液中电离的电解质时，静电相互作用发生;这些相互作用的性质，可以是吸引的或排斥的，取决于:(一)碳表面的电荷密度;吸附物的化学特性;和(二)溶液的离子强度。非静电相互作用总是有吸引力的，可以包括:(1)范德华力;(2)疏水相互作用;(3)氢键。

Moreno-Castilla认为，影响AC吸附过程的主要吸附物性质为:(1)分子尺寸;(2)溶解度;(3)pKa;(4)取代基的性质(芳香族吸附)。分子大小决定了吸附物对碳孔的可及性，溶解度决定了吸附物与碳表面疏水相互作用的程度，pKa控制了吸附物的解离(如果是电解质)。当吸附物为芳香族时，芳香环的取代基具有电子的抽离或释放能力，从而影响了吸附物与交流表面的非静电相互作用。

当交流电与水溶液接触时，就会产生电荷。这种电荷要么来自碳表面官能团的离解，要么来自溶液中离子的吸附，它强烈地依赖于溶液的pH值和吸附剂的表面特性。从水介质中吸附离子的中心问题是离解离子种类附着在碳表面的机理。从水溶液中去除金属离子(或其他离子)有三种不同的机理。第一种是基于静电吸附-吸附剂相互作用，完全依赖于碳表面官能的存在，尤其是氧表面复合物(离子交换过程)。第二种观点认为，在最窄的微孔中，增强的吸附电位可能足以吸附和保留离子。第三种机制是基于硬和软酸和碱的概念，这是碳表面两性性质的结果。

在AC(如氧、氢、氮和硫)中可以找到数量不等的原子，称为杂原子。这些原子可能起源于原料，也可能在制备或进一步处理过程中引入，它们对交流表面的电荷、疏水性和电子密度有着深刻的影响。因此，碳表面化学受杂原子存在的影响，对静电和非静电相互作用都有很大的影响。在Moreno- Castilla和Rivera-Utrilla的综述中可以找到关于决定水相污染物去除的AC的表面特征的更多信息。

基于目前大量关于AC吸附有机污染物和重金属的论文，今后将讨论这些微污染物吸附的基础。

2.1有机污染物的吸附

工业废料的排放(在化学工业活动中产生)和农业和森林土地的浸出(在使用化肥和杀虫剂时)是若干河流有机污染的主要来源。

传统的生物处理方法在去除水溶液中有机难降解污染物方面的应用已被证明是非常无效的;因此，AC在去除和控制水中合成和自然产生的有机化学物质方面得到了广泛的应用。

文献清楚地表明，与无机化合物相比，有机化合物吸附的研究要多得多，这可能是因为有机化合物吸附机制的复杂性最大。然而，几种有机化合物吸附的具体机理尚不明确，且存在争议。

从Radovic等人的综述来看，以下观点似乎具有坚实的实验和理论支持:(i)芳香族化合物的吸附部分是物理的，部分是化学的，未来的工作应仔细区分两者;(ii)在有利条件下，p-p相互作用可能占优势，其强度可通过吸附物和吸附剂上的环取代而改变。在电子供体-受体复合物的形成过程中，究竟是吸附剂还是吸附物作为电子供体存在着不同的观点;以及分子轨道理论在多大程度上，以及吸附物和吸附剂的HOMO和LUMO水平的不同，可以预测导致化学吸附过程的电子转移的程度和方向。

AC在有机化合物吸附过程中最重要的特征是孔径分布、表面化学(功能)和矿物质含量。吸附能力取决于有机分子向微孔隙度的转变，微孔隙度取决于有机分子的大小。因此，在适当的实验条件下，苯酚等小分子可以进入微孔，天然有机物可以进入中孔，细菌只能进入大孔。

2.2重金属吸附

工业活动(如采矿、油漆、汽车制造、金属电镀和制革厂)和农业活动(如大量使用化肥和杀菌剂)是含重金属废物的主要来源。重金属被认为是最危险的水污染物之一。根据世界卫生组织(世卫组织)(2004年、2006年)的数据，最具毒性的金属包括镉、铬、铜、铅、汞和镍。

迄今为止，许多研究报告指出，AC去除重金属在经济上是有利的，在技术上是容易的;因此，AC被广泛应用于重金属污染水体的治理。关于镉、铬、汞、铁和铜等重金属吸附的更多信息可以在Huang(1978)的综述中找到。

大量研究人员仍在研究AC去除重金属的方法。表1为不同重金属AC吸附的研究综述。

从水溶液中吸附金属离子远非一个简单的过程。金属种尺寸小，常在溶液中带电;因此,在吸附过程的主要交互交流静电性质的。控制AC吸附程度的主要因素有:(1)金属离子(形态)或金属离子络合物的化学性质;(二)溶液pH值和表面零电荷点;表面积和孔隙度(窄孔隙度和宽孔隙度);表面组成(氧的功能);和(v)的大小。

表格 1 用活性炭去除重金属

重金属 参考

水银 (Hg) Zhang et al. (2005)

Anoop Krishnan and Anirudhan (2002) Olson et al. (2000)

银 (Ag) Chen and Wu (2004) Goyal et al. (2001)

Periasamy and Namasivayam (1996)

铅 (Pb) Issabayeva et al. (2006) Nadeem et al. (2006) Goel et al. (2005)

铬 (Cr) Di Natale et al. (2007) Liu et al. (2007)

Park et al. (2006) Fahim et al. (2006)

镉 (Cd) Madhava Rao et al. (2006) Youssef et al. (2004) Macias-Garcia et al. (2003)

Rangel-Mendez and Streat (2002)

镍 (Ni) Erdog˘ an et al. (2005) Hasar (2003) Kadirvelu et al. (2001)

锌 (Zn) Dabek (2003) Galiatsatou et al. (2002)

Leyva Ramos et al. (2002)

(Li) Alfarra et al. (2002) Frackowiak (1998) Seron et al. (1996)

吸附种类(1.0-1.8 nm范围内的水合离子)，主要吸附体积小、微孔明显的碳。

Saacute;nchez-Polo和Rivera-Utrilla(2002)研究了吸附剂的相互作用对Cd (II)和Hg /吸附物(2)变成臭氧AC,认为静电吸附的军队主导Cd (II)的吸附和分散的力量占了上风Hg (II)。同样的作者也研究了铬(III)的吸附以臭氧处理碳,认为尽管静电和非静电力都发挥了重要作用,电-静态力量主导的吸附过程(里维拉——Utrilla和Saacute;nchez-Polo, 2003)。

表格 2 化学激活使用不同的激活剂

化学剂 参考

氯化锌 (ZnCl2) Mohanty et al. (2005) Yue et al. (2002)

磷酸 (H3PO4) Ichcho et al. (2005)

Suaacute; rez-Garcıacute; a et al. (2004

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