基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统及其制备方法

摘要

本发明提供一种基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统，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，第一活性炭吸附床承载有高介孔结构活性炭，第二活性炭吸附床承载有超高微孔结构活性炭，本发明还提供上述多级活性炭吸附床系统的制备方法，本发明具有处理效率高、投资省、运行维持费用低、能耗低、适用范围广的优点，尤其当来水中存在多组分有机污染物是，亦能较好的进行选择性逐批次完成吸附净化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级活性炭吸附床净化系统，主要适用于给水排水处理技术领域，可应用于原水与污水的深度净化处理工程。

背景技术

伴随着我国经济的高速发展，有机物的种类和使用量不断增加。有机物的广泛使用不可避免地通过各种渠道进入到作为饮用水水源的水体中，作为水源的河流、水库、湖泊受到不同程度的有机物污染。并且以酚类为代表的人工合成小分子有机物，能够造成水体长久性污染并且处理难度极大。有机物还会在水体和土壤中不断的积累，然后通过食物链进入生物体并逐渐富集，最后进入人体，对人类产生毒害作用。此外水体中普遍存在以腐殖酸为主的天然大分子有机物,天然大分子有机物是由分子量不同、化学特性为异的多种组分构成的，它的存在能够显著增加致癌性消毒副产物的形成。目前，一般的有机物处理技术包括絮凝，氧化方法和生物处理法在应用于有机污染物处理时存在处理量不足、成本高等问题。因此，因此开发经济有效的有机物处理技术是水中污染治理的关键。

活性炭是以碳元素为基础，经过物理化学方法加工而成的一种多孔性吸附材料，具有内部空隙结构发达、比表面积大和吸附能力强的特点。因此在各种改善水质和提高净水效果的深度处理技术中，活性炭吸附技术是弥补常规水工艺存在的问题最成熟的方法之一。活性炭吸附技术早在20世纪20年代便已经在国外被用于去除水中的臭和味。活性炭对有机物的去除主要是内部各种孔隙的吸附作用，因此活性炭的孔隙分布结构决定了它对不同分子大小有机污染物的去除效果。活性炭的内部孔隙一般可以分为大孔、介孔和微孔。活性炭的吸附作用主要依赖于分子间作用力、化学键力和静电吸引力形成的吸附，物质之所以在两相界面上产生浓度自动变化，关键在于存在于吸附剂和吸附质之间的这三种不同的作用力，这三种作用力分别形成了物理吸附、化学吸附和交换吸附，它们构成了活性炭的吸附特性。

经专利检索，国内外采用多级活性炭吸附床处理水中有机污染物的研究较少。此外，就目前而言，活性炭吸附应用主要存在天然大分子有机物与小分子有机物竞争吸附、小分子有机物聚合产物易堵塞活性炭空隙使饱和活性炭的再生困难、对于天然大分子有机物吸附速率缓慢的问题。因此亟需设计一种针对不同种类有机物均可行有效的活性炭吸附处理系统，以更好的满足水体中有机污染物处理需求。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统，其处理效率高、适用多种有机污染物去除，能够对不同种类的有机污染物进行选择性吸附，同时提供良好的活性炭再生效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统，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载有高介孔结构活性炭，所述第二活性炭吸附床承载有超高微孔结构活性炭，所述高介孔结构活性炭能够吸附净化天然大分子有机物，所述超高微孔结构活性炭能够吸附净化人工合成小分子有机物。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述高介孔结构活性炭以块状形式紧密排列在第一活性炭吸附床内，所述超高微孔结构活性炭以块状形式紧密排列在第二活性炭吸附床内。

所述超高微孔结构活性炭能够抑制人工合成小分子有机物在有氧状态下发生聚合反应。

所述高介孔结构活性炭的BET比表面积为1696m2/g，介孔体积为0.672cm3/g，总孔体积为1.025cm3/g，介孔比例为65.6%。

所述超高微孔结构活性炭的BET比表面积为1476m2/g，微孔体积为0.683cm3/g，总孔体积为0.841cm3/g，微孔比例为81.3%。

本发明的多级吸附系统在吸附净化的过程中采用多级吸附的方式，具体分为前段和后段，前段采用高介孔结构活性炭进行吸附净化，高介孔结构活性炭具备适用于吸附净化天然大分子有机物的物理化学性质，能够选择性的有效去除天然大分子有机污染物，从而有效避免了天然大分子有机物与人工合成小分子有机物在后段吸附床中的竞争吸附作用，大大提高后段吸附床对于小分子有机物的吸附效率，后段采用超高微孔结构活性炭进行吸附净化，超高微孔结构活性炭不仅能够有效去除人工合成小分子有机污染物，而且活性炭所具备的超高微孔孔隙结构能够有效抑制人工合成小分子有机物在有氧状态下所发生聚合反应，从而大大提高了活性炭的再生效率。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统的制备方法，所述制备方法首先包括制备高介孔结构活性炭和超高微孔结构活性炭的步骤，制备高介孔结构活性炭的步骤是：

（1）将无烟煤粉碎，过28-40目筛；将氢氧化钾颗粒粉碎；按照质量比为1:4将无烟煤与氢氧化钾均匀混合；同时按照每克氢氧化钾加入一毫升去离子水的比例，将去离子水加入至无烟煤和氢氧化钾混合物，使混合物变为泥状；

（2）将混合物放置于管式活化炉中，在110oC下混合放置12小时；

（3）将放置后的无烟煤在800oC下活化2小时，并且全程通入氮气以保证惰性氛围，具体氮气流速保持在400ml/min；

（4）然后在氩气氛围下，将所得活性炭在900oC下热处理20小时；

（5）然后利用5mol/L浓度的盐酸洗涤残留活性炭表面的氢氧化钾；然后利用去离子水反复洗涤至pH为6.5-7，制备出活性炭；

（6）将制备的活性炭在105oC下烘干，粉碎，包装放入密封容器中待用；

制得的产品的物理化学性质如表1所示。

表1

制备超高微孔结构活性炭的步骤是：

（1）将无烟煤粉碎，过28-40目筛；将氢氧化钾颗粒粉碎；按照质量比为1:2将无烟煤与氢氧化钾均匀混合；同时按照每克氢氧化钾加入一毫升去离子水的比例，将去离子水加入至无烟煤和氢氧化钾混合物，使混合物变为泥状；

（2）将混合物放置于管式活化炉中，在110oC下混合放置12小时；

（3）将放置后的无烟煤在650oC下活化2小时，并且全程通入氮气以保证惰性氛围，具体氮气流速保持在400ml/min；

（4）然后利用5mol/L浓度的盐酸洗涤残留活性炭表面的氢氧化钾；然后利用去离子水反复洗涤至pH为6.5-7，制备出活性炭；

（5）将制备的活性炭在105oC下烘干，粉碎，包装放入密封容器中待用；

制得的产品的物理化学性质如表2所示。

表2

在上述步骤完成后，分别将制得的高介孔结构活性炭和超高微孔结构活性炭以块状结构的形式和紧密排列的方式分别装入第一活性炭吸附床和第二活性炭吸附床内，再将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，形成所述多级活性炭吸附床系统。

本发明的有益效果是：

1、在前段吸附床中放置制备的高介孔结构活性炭，此种活性炭的介孔（20-500?）比例达到66%，由于绝大多数天然大分子有机物的分子大小在20-60?之间，因此活性炭非常适合于天然大分子有机物的吸附，其次，从表1中活性炭表面的总酸碱度和零点电位可以发现，活性炭表面具备相当多的碱性官能团，因此通过活性炭表面的碱性官能团与天然大分子有机物的酸性羧基之间的酸碱中和作用，能够有效提高活性炭对于天然大分子有机物的吸附作用。通过上述作用，活性炭能够很好的选择性吸附水体中的天然大分子有机污染物。因此，水体在通过多级活性炭吸附床时，天然大分子有机污染物能够被前端吸附床中的活性炭有效去除。

2、水流经前端吸附后流入后段活性炭吸附床，此段吸附床中放置制备的高微孔结构活性炭，其比表面积达到1476m2/g，因此能够提供足够吸附位从而有效去除水体中的小分子有机污染物。此外，由于此种活性炭的微孔（0-20?）比例达到81%，因此能够保证绝大多数被吸附的有机污染物皆为单分子状态，而聚合反应而形成的多聚物由于过大的尺寸则不能被活性炭吸附，从而有效抑制聚合反应在活性炭表面的发生，而由于单分子状态的有机污染物在活性炭再生过程中很容易被解析出来，因此应用此种活性炭能够极大的提高活性炭的再生效率，增加活性炭使用的性价比。

3、本发明具有处理效率高、投资省、运行维持费用低、能耗低、适用范围广的优点，尤其当来水中存在多组分有机污染物是，亦能较好的进行选择性逐批次完成吸附净化。

附图说明

图1是前段吸附床承载活性炭的制备流程图。

图2是后段吸附床承载活性炭的制备流程图。

图3是本发明的多级活性炭吸附床系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1，制备高介孔结构活性炭。

如图1所示，适宜天然大分子有机物吸附的高介孔活性炭以无烟煤为原料，用球磨机将无烟煤粉碎，过28-40目筛，收集所需细度的原料。之后将粒状氢氧化钠粉碎成粉末状。再按照质量比为1:4将无烟煤与氢氧化钾均匀混合。同时按照每克氢氧化钾加入一毫升去离子水的比例，将去离子水加入至无烟煤和氢氧化钾混合物，使混合物变为泥状。然后将混合物放置于管式活化炉中，在110oC下混合放置12小时。将放置后的无烟煤在800oC下活化2小时，并且全程通入氮气以保证惰性氛围，具体氮气流速保持在400ml/min。然后在氩气氛围下，所得活性炭在900oC下热处理20小时。然后利用5mol/L浓度的盐酸洗涤残留活性炭表面的氢氧化钾，并利用去离子水反复洗涤至pH为6.5-7。之后将制备出活性炭在105oC下烘干，再将得到的活性炭粉碎，包装放入密封容器中待用。

实施例2，制备超高微孔结构活性炭。

如图2所示，适宜合成小分子有机物吸附的高微孔活性炭以无烟煤为原料，用球磨机将无烟煤粉碎，过28-40目筛，收集所需细度的原料。之后将粒状氢氧化钠粉碎成粉末状。再按照质量比为1:2将无烟煤与氢氧化钾均匀混合。同时按照每克氢氧化钾加入一毫升去离子水的比例，将去离子水加入至无烟煤和氢氧化钾混合物，使混合物变为泥状。然后将混合物放置于管式活化炉中，在110oC下混合放置12小时。将放置后的无烟煤在650oC下活化2小时，并且全程通入氮气以保证惰性氛围，具体氮气流速保持在400ml/min。然后利用5mol/L浓度的盐酸洗涤残留活性炭表面的氢氧化钾，并利用去离子水反复洗涤至pH为6.5-7。之后将制备出活性炭在105oC下烘干，再将得到的活性炭粉碎，包装放入密封容器中待用。

实施例3，基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统。

本发明的多级活性炭吸附床系统包括布置于吸附通道前段的第一活性炭吸附床1和布置于吸附通道后段的第二活性炭吸附床2，所述第一活性炭吸附床1承载有高介孔结构活性炭3，所述第二活性炭吸附床2承载有超高微孔结构活性炭4，所述高介孔结构活性炭3能够吸附净化天然大分子有机物，所述超高微孔结构活性炭4能够吸附净化人工合成小分子有机物。所述高介孔结构活性炭3以块状形式紧密排列在第一活性炭吸附床1内，所述超高微孔结构活性炭4以块状形式紧密排列在第二活性炭吸附床2内。所述超高微孔结构活性炭4还能够抑制人工合成小分子有机物在有氧状态下发生聚合反应。

所述高介孔结构活性炭3的物理化学性质如表1所示。

表1

所述超高微孔结构活性炭4的物理化学性质如表2所示。

表2

BET比表面积(m2/g)微孔体积(cm3/g)总孔体积(cm3/g)微孔比例(%)活性炭14760.6830.84181.3

如图3所示，含有多组分有机污染物的水体经常规工艺技术处理后，流入基于选择性吸附净化原理的多级活性炭吸附床系统。多级活性炭吸附床系统在位于前段的第一活性炭吸附床1中放置制备的高介孔结构活性炭3，此种活性炭的介孔（20-500?）比例达到66%，由于绝大多数天然大分子有机物的分子大小在20-60?之间，因此活性炭非常适合于天然大分子有机物的吸附，其次，由于活性炭具备高表面的总碱度和零点电位，所以活性炭表面具备相当多的碱性官能团，因此通过活性炭表面的碱性官能团与天然大分子有机物的酸性羧基之间的酸碱中和作用，能够有效提高活性炭对于天然大分子有机物的吸附作用。通过上述作用，活性炭能够很好的选择性吸附水体中的天然大分子有机污染物。因此，水体中天然大分子有机污染物能够在前端吸附床中被截留有效去除。

随后水体经前端吸附后流入布置于后段的第二活性炭吸附床2，此段吸附床中放置制备的适宜合成小分子有机物吸附的高微孔结构活性炭4，其比表面积达到1476m2/g，因此能够提供足够吸附位从而有效去除水体中的小分子有机污染物。此外，由于此种活性炭的微孔（0-20?）比例达到81%，因此能够保证绝大多数被吸附的有机污染物皆为单分子状态，而聚合反应而形成的多聚物由于过大的尺寸则不能被活性炭吸附，从而有效抑制聚合反应在活性炭表面的发生。而由于单分子状态的有机污染物在活性炭再生过程中很容易被解析出来，因此应用此种活性炭能够极大的提高活性炭的再生效率，增加活性炭使用的性价比。

最后，水体经多级活性炭吸附床的选择性吸附净化后安全排放。

图中箭头表示水流方向。