活性炭水處理畢業(yè)論文.doc

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1、畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄1.1 引言21.2 國內(nèi)外水處理研究現(xiàn)狀31.2.1 工業(yè)廢水的一般處理方法31.3 我國多功能水處理劑的研究現(xiàn)狀41.3.1發(fā)展概況41.3.2存在的問題51.3.3結(jié)論51.4 美國水處理化學(xué)品市場現(xiàn)狀51.4.1美國水處理化學(xué)品市場概況51.4.2水處理化學(xué)品的現(xiàn)狀61.4.3水處理化學(xué)品發(fā)展的方向61.4.4新型合成水處理化學(xué)品的開發(fā)61.4.5水處理化學(xué)品間的復(fù)配增效技術(shù)研究71.4.6水處理化學(xué)品的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計以及與其性能的相關(guān)性研究71.4.7多功能水處理化學(xué)品的研究81.5 重金屬廢水的來源和危害101.5.1重金屬廢水來源101.5.2重金屬廢水危害11

2、1.5.3重金屬廢水污染的特點121.5.4重金屬廢水處理方法121.6 活性炭纖維概述131.6.1活性炭纖維及其應(yīng)用研究進展131.6.2的應(yīng)用141.7 研究目的意義及內(nèi)容161.7.1研究的目的和意義161.7.2研究內(nèi)容162 活性碳纖維162.1 結(jié)構(gòu)特征172.2 表面化學(xué)結(jié)構(gòu)172.3 活性碳纖維與活性碳的比較182.4 粒狀活性碳與活性碳纖維過濾器性能對比202.4.1粒狀活性碳過濾器及活性碳纖維過濾器202.4.2活性炭纖維的特點212.5 粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器的性能對比232.5.1兩種過濾器對水的過濾233 實驗材料與方法243.1 活性炭纖維處理甲苯廢水

3、的試驗243.2 活性碳纖維對含酚類廢水的處理實驗293.3活性炭吸附法處理含重金屬廢水313.4活性炭纖維對水中重金屬離子的吸附研究333.4.1實驗部分343.4.2實驗方法343.4.3結(jié)果與討論344 性能測試（X射線衍射物相分析）365 再生式廢水處理塔的設(shè)計436 致謝517參考文獻5201 緒論1.1 引言我國水資源缺乏，人均水資源只有世界平均水平的四分之一，被聯(lián)合國列為13個貧水國之一。水資源緊缺問題已經(jīng)制約了國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，雖然這些年來我國一直強調(diào)節(jié)約用水，但各地的用水量和排水量仍不斷增長，水污染也不斷加劇。因此，開展廢水回用工作，已經(jīng)迫在眉睫。缺水和環(huán)保已成為制約高耗

4、水、多污染石化企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。近年來隨著人類環(huán)保意識的不斷提高，對于生存的環(huán)境，特別是對空氣、水等凈化密切相關(guān)的活性炭等環(huán)保材料的性能要求越來越高，外排廢水回用作循環(huán)冷卻水裝置的研究及探索新的多功能水處理劑材料就具有很重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)水處理是一門介于應(yīng)用化學(xué)、能源利用、水資源利用和環(huán)境保護之間的邊緣學(xué)科。他研究的是工業(yè)用水的預(yù)處理，用水的深層次凈化（軟化和除鹽）處理，循環(huán)冷卻水處理和工業(yè)生產(chǎn)污水的處理技術(shù)。工業(yè)水處理對于確保工業(yè)生產(chǎn)地安全經(jīng)濟運行，防止事故發(fā)生，節(jié)能降耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善工業(yè)生產(chǎn)和周圍居民生產(chǎn)生活環(huán)境等，有著十分明顯的作用和貢獻。工業(yè)水處理可以分為工業(yè)用水處理（也有

5、人稱為工業(yè)給水處理）和工業(yè)廢水處理。工業(yè)用水處理就是將水質(zhì)處理到能滿足企業(yè)內(nèi)部不同的工藝、不同設(shè)備對水質(zhì)的需求，保證企業(yè)生產(chǎn)的正常進行。比如鍋爐要求提供純水或軟化水；電子工業(yè)要求使用純水并去除水中的微粒；食品工業(yè)要求水能符合相應(yīng)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)；密閉式冷卻水系統(tǒng)，則要求水為清水、軟化水或純水。如果達不到這種要求，則會對產(chǎn)品、設(shè)備產(chǎn)生一系列的危害。所以，現(xiàn)代的工業(yè)企業(yè)，都非常重視用水的水質(zhì)及相應(yīng)的水處理工作，因此它是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、保證設(shè)備的重要條件。1.2 國內(nèi)外水處理研究現(xiàn)狀1.2.1 工業(yè)廢水的一般處理方法工業(yè)廢水治理方法，一般可分為物理法、生物化學(xué)法、物理化學(xué)法及化學(xué)法。物理法 只要

6、是利用物理原理和機械作用對廢水進行治理，故也稱機械法，其中包括沉淀，均衡調(diào)節(jié)，過濾及離心分離等方法。物理化學(xué)法 通過物理化學(xué)過程來處理廢水以除去污染物質(zhì)的方法。主要有吸附、浮選、反滲透、電滲析、超聲波及超吸附等方法?；瘜W(xué)法 通過施用化學(xué)試劑或采用其他化學(xué)手段進行廢水處理的方法，如中和、氧化、還原、離子交換等。生物化學(xué)法 是利用微生物的作用，去除廢水中的溶膠物質(zhì)及有機物質(zhì)的方法。包括活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法、生物濾池法以及厭氣處理方法。對于一定的工業(yè)廢水，往往要進行實際試驗、比較，才能確定出有效、經(jīng)濟合理的處理方案。有時要選用不同的方法進行組合處理，才能取得滿意的效果。廢水處理也可分為一級處理，二

7、級處理和三級處理。一級處理主要是解決懸浮固體、膠體懸浮油類等污染問題，常用物理方法和中和法；二級處理主要是解決溶解在水中的有機物及部分懸浮固體的污染問題，經(jīng)常采用生物處理法；三級處理為廢水的深度處理，主要是解決難以分解的有機物和無機物，使水質(zhì)達到排放和回用要求。常用的處理方法有活性炭吸附、離子交換、反滲透等方法。經(jīng)過三級處理后，水質(zhì)基本上可以達地面水標(biāo)準(zhǔn)。1.3 我國多功能水處理劑的研究現(xiàn)狀水處理劑是工業(yè)用水、生活用水、廢水處理過程中必須使用的各種化學(xué)藥劑的總稱。主要用于控制水垢、污泥的形成,減少水相材料的腐蝕,除去水中的懸浮固體和有害物質(zhì)、除臭脫色、軟化和穩(wěn)定水質(zhì)等。用化學(xué)法對工業(yè)廢水進行處

8、理主要是在水處理系統(tǒng)中投加絮凝劑、緩蝕劑、殺菌劑等多種藥劑,但是多種藥劑投加,會使處理工藝流程復(fù)雜,設(shè)備增多,藥劑費用昂貴,操作過程復(fù)雜化,有時甚至?xí)蚨喾N試劑的投加而互相拮抗,從而降低藥劑的效果,故研究一種水處理劑,它兼具有兩項或多項功能,就顯得非常重要。近20年來,一類具有一劑多效,兼有絮凝、緩蝕、殺菌等多功能水處理劑的研究和開發(fā)取得了相當(dāng)大的進展,用此類藥劑對工業(yè)廢水進行處理,處理后的廢水不僅能達到合乎排放標(biāo)準(zhǔn),而且在水處理過程中能夠減緩其對金屬設(shè)備、管道腐蝕、抑制細菌滋生和殺滅細菌,對多功能水處理劑的研究,具有重要的理論意義與重大的應(yīng)用價值,對促進我國的水處理工業(yè)與環(huán)境治理,保證工農(nóng)業(yè)

9、生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著積極的推動作用。一.我國多功能水處理劑的發(fā)展概況及存在問題1.3.1發(fā)展概況多功能水處理劑是水處理劑研究的一個重要方面,它的研究內(nèi)容豐富,進展也較快,它是通過藥劑的一次投加來實現(xiàn)廢水的多方面處理,拓寬了水處理劑的生產(chǎn)和應(yīng)用范圍,對化學(xué)法處理工業(yè)廢水的發(fā)展有重大的促進作用。除CG-A外,新研制的多功能水處理劑有CG-A3、CMT-A2等,這些藥劑在模擬油田含油質(zhì)水處理及工業(yè)水處理的應(yīng)用效果顯示它們既有優(yōu)良的絮凝凈化效果,又有抑制腐蝕特點是點蝕的作用,有些還具有優(yōu)良的阻垢性能。絮凝-殺菌劑、絮凝-殺菌-緩蝕劑的研究開發(fā)也取得了一定的成果,據(jù)報道此類藥劑能有效吸附水中微細顆粒和細

10、菌,從而能較好地富集細菌于底泥中。由于底泥中既富集了細菌,又濃縮了殺菌成分,因此有利于細菌的集中捕殺。從1987年開始,進行了F691的陰離子改性天然高分子的研究工作,研制開發(fā)出的絮凝-殺菌劑CG-C,用它進行水處理絮凝實驗時,具有電荷中和與吸咐架橋的雙重作用,且有利于細菌的集中捕殺,有其良好的應(yīng)用前景。近年來,進行了天然高分子改性的氮雜環(huán)季銨鹽水處理劑的研究開發(fā),已取得了初步成果,如絮凝-緩蝕-殺菌劑FQA-C,在機理研究方面,取得了開拓性進展,如提出了絮凝-雙成膜緩蝕模型,漸減絮凝-漸增殺菌協(xié)同機理模型,該模型的絮凝組分屬于陰離子型的高分子絮凝劑,與聚合氯化鋁配伍時能取得很好的絮凝效果,這

11、都為今后開發(fā)多功能水處理劑打下了基礎(chǔ)。1.3.2存在的問題(1)開發(fā)的藥劑品種不多。我國雖然在天然高分子多功能水處理劑方面已取得了較大突破,但在合成高分子水處理劑方面,無消息報道。(2)研究多功能水處理劑的基礎(chǔ)理論比較薄弱。例如對藥劑的絮凝、緩蝕、殺菌作用機理、不同組分之間的協(xié)同效應(yīng)等研究不夠。(3)陽離子聚丙烯酰胺應(yīng)該是重點發(fā)展的合成高分子藥劑,特別是多功能陽離子聚丙烯酰胺更是我國水處理工業(yè)中急需的水處理劑,在國內(nèi)尚屬空白。1.3.3結(jié)論(1)在不斷提高、完善現(xiàn)有品種的生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)開發(fā)國內(nèi)空白又屬需求的新品種。吡啶季胺鹽型陽離子聚合物是將4-乙烯基吡啶與丙烯酰胺進行共聚合,然后使用

12、季胺化試劑作用,使吡啶環(huán)正離子化,這樣制得的共聚物不僅實現(xiàn)了聚丙烯酰胺的陽離子化,而且又將氮雜環(huán)季胺鹽引入高分子之中,是一種新興的多功能水處理劑。(2)要獲得高分子量和低單體含量的多功能水處理劑,尋找合適的引發(fā)劑和改進聚合方法是關(guān)鍵的問題。(3)加強理論研究努力開發(fā)新型儀器、設(shè)備、分析監(jiān)測等配套產(chǎn)品。(4)多功能水處理劑是水處理藥劑研究的一個重要方面,它的研究內(nèi)容豐富、進展快,對化學(xué)法處理工業(yè)水的發(fā)展有重大促進作用。1.4 美國水處理化學(xué)品市場現(xiàn)狀1.4.1美國水處理化學(xué)品市場概況水處理化學(xué)品市場由市政水處理市場和工業(yè)水處理市場組成。市政水處理市場包括飲用水和城市廢水處理;工業(yè)水處理市場包括冷

13、卻水和蒸汽發(fā)電廠、商業(yè)/公共機構(gòu)的建筑、設(shè)備用水以及工廠排放廢水的處理。專用水處理化學(xué)品是指活性炭、離子交換樹脂、有機聚合物絮凝劑和緩蝕劑、阻垢劑、殺生劑、消泡劑、燃燒助劑等配方化學(xué)品。各種水處理化學(xué)品的主要作用是抑制垢、污泥和粘泥生成;減少泡沫;降低與水接觸材料的腐蝕;控制;除去懸浮固體(澄清);除去顏色和臭味;軟化和礦化水。1.4.2水處理化學(xué)品的現(xiàn)狀在工業(yè)冷卻水中,為了控制腐蝕、結(jié)垢及微生物黏泥等而添加的化學(xué)品稱為水處理化學(xué)品或水處理劑,習(xí)慣上也稱為水質(zhì)穩(wěn)定劑。水處理技術(shù)在發(fā)展的初期和中期,添加的水處理化學(xué)品一般都是簡單的無機化合物,如石灰、二氧化碳、硫酸、氯氣、磷酸鹽等。這些無機化合物

14、大都是工業(yè)原料,價廉而易得。然而,單純使用無機化合物,水處理效果受到一定的限制,因此,在生產(chǎn)上就逐步地發(fā)展成和某些天然的有機化合物復(fù)合使用來達到水質(zhì)控制的目的。如單寧、淀粉、木質(zhì)素等都是很早就使用的天然有機水處理化學(xué)品。20世紀(jì)60年代初,為了有效地達到緩蝕、阻垢和殺菌的目的,更好地控制排污水所造成的污染和公害,逐步發(fā)展和使用了新型的有機緩蝕劑、有機阻垢劑和有機殺菌劑?？偟内厔菔窃絹碓蕉嗟臒o機化合物逐步被有機化合物所取代,某些無機水處理化學(xué)品往往也只有和有機水處理化學(xué)品復(fù)合使用才更有效。目前,合成和新發(fā)展的有機水處理化學(xué)品都是合成產(chǎn)物,而且?guī)缀跻淹耆媪嗽瓉響?yīng)用的天然有機化合物。許多行之有效

15、的合成表面活性劑也逐漸被應(yīng)用到水處理領(lǐng)域,作為殺菌滅藻的水處理化學(xué)品和污泥剝離水處理化學(xué)品。目前,國內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)大都采用磷系復(fù)合配方,其主要優(yōu)點是無毒和使用濃度較低,然而磷系緩蝕阻垢劑可以充當(dāng)水中細菌和藻類的營養(yǎng)成分,引起水源的富營養(yǎng)化。隨著社會的進步和人類環(huán)保意識的增強,只有那些沒有污染或能很快被生物降解、價格又很低廉的高效綠色水處理化學(xué)品,才是受人們歡迎的真正的新型水處理化學(xué)品。1.4.3水處理化學(xué)品發(fā)展的方向應(yīng)該指出,水處理化學(xué)品的發(fā)展絕不是孤立進行的。它與機理的研究、合成工藝與測試方法的變革,甚至分子設(shè)計理論等方面的發(fā)展密切相關(guān),相互促進。水處理化學(xué)品要能在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用,必須考

16、慮水處理化學(xué)品的污染問題和成本問題。只有那些沒有污染或能很快被生物降解、價格又很低廉的高效多功能水處理化學(xué)品(如陽離子改性單寧具有阻垢、緩蝕、絮凝等多種功能)才是受人們歡迎的真正的新型水處理化學(xué)品。因此,可以預(yù)計,不久將有更多的、更有效的環(huán)境友好型的新型緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑,污泥剝離劑被開發(fā)出來并得到更廣泛的應(yīng)用。今后水處理化學(xué)品的發(fā)展可能有如下動向。1.4.4新型合成水處理化學(xué)品的開發(fā)新型水處理化學(xué)品研究的方向主要有兩個方面:一是研制性能更好的緩蝕劑、阻垢劑、污泥剝離劑、殺菌劑或清洗劑;二是合成兼具以上兩種或多種性能的水處理化學(xué)品。這兩個方面的探討重點都在有機化合物方面,這是因為目前的有機

17、合成水平已經(jīng)基本上能夠設(shè)計和合成出理想的具有特定結(jié)構(gòu)的新型有機化合物,從而有希望篩選出合乎理想的、適合于水質(zhì)控制以及廢水處理的新型水處理化學(xué)品。以合成的產(chǎn)品代替天然產(chǎn)物,或以化合物代替混合物,或是對產(chǎn)品規(guī)格提出更高、更嚴(yán)格的要求是新型水處理化學(xué)品的方向。應(yīng)用于水質(zhì)控制的水處理化學(xué)品,現(xiàn)在有一些仍然還是天然產(chǎn)物,有些水處理化學(xué)品的組成并不十分嚴(yán)格,因而它們的性能和效果也就不十分穩(wěn)定。例如:淀粉、木質(zhì)素、栲膠(含單寧的天然產(chǎn)物)曾長期作為阻垢分散劑使用。這些天然產(chǎn)物的組成不穩(wěn)定,效果也不同,已逐漸被人工合成的有機化合物所代替。某些水處理化學(xué)品雖然是化工廠的合成產(chǎn)品,但它們實際上是混合物,高分子聚合

18、物都是不同相對分子質(zhì)量的混合物。具有最佳阻垢作用的,往往僅為一定相對分子質(zhì)量范圍內(nèi)的產(chǎn)品。隨著對緩蝕阻垢機理的深入研究,就有可能對這些產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量提出確切的要求。另外,有機合成工業(yè)的發(fā)展已有可能在合成生產(chǎn)過程中控制聚合物相對分子質(zhì)量的大小,因而能獲得更為理想的產(chǎn)品來滿足水質(zhì)控制的嚴(yán)格要求。1.4.5水處理化學(xué)品間的復(fù)配增效技術(shù)研究目前,使用的水處理藥劑幾乎都是具有不同功能水處理化學(xué)品的復(fù)合產(chǎn)品。這主要是因為每種水處理化學(xué)品都有一定的局限性,同時也是為了充分地利用各種水處理化學(xué)品之間的協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合配方不僅在目前而且在今后一個相當(dāng)長的時期內(nèi)都是非常重要的。但是,復(fù)合配方對各種水處理化學(xué)品組

19、分的要求也將日益嚴(yán)格,配方的組成應(yīng)盡可能簡化。華東理工大學(xué)霍宇凝等對聚天冬氨酸與氧化淀粉復(fù)配物的阻垢性能進行了研究,結(jié)果表明:復(fù)配物阻垢性能較單純的聚天冬氨酸優(yōu)異,可適用于高鈣、高pH、高溫的水系統(tǒng)中,并可在水系統(tǒng)中長時間停留。在冷卻水系統(tǒng),鋅鹽(ZnSO4)是一種常用的單劑,其和鉻酸鹽等鈍化膜型緩蝕劑以及多元膦酸、聚羧酸等有機緩蝕劑復(fù)配使用可以降低它們的使用量,并可以防止磷酸鹽、硅酸鹽和硫酸鹽使用量過多而生成的沉淀。通過對緩蝕劑復(fù)配增效機理的研究,可以降低對環(huán)境毒性大的緩蝕劑使用量,一定程度上減輕它們的危害性。目前國內(nèi)外都在致力于開發(fā)采用多元羧酸、羥基羧酸、不飽和羧酸、含磺酸基高分子共聚物、

20、氨基酸和多糖等單劑的全有機系復(fù)合水處理藥劑。1.4.6水處理化學(xué)品的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計以及與其性能的相關(guān)性研究有機水處理化學(xué)品具有相對分子質(zhì)量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。其結(jié)構(gòu)上的特點往往是它們所以能具有緩蝕、阻垢和殺菌性能的內(nèi)在因素。一個化合物的性能和它的結(jié)構(gòu)之間具有必然的聯(lián)系。因此要設(shè)計和選用新型的有機水處理化學(xué)品,它的結(jié)構(gòu)問題是首先必須考慮的重要問題。事實上,過去從有機化合物中篩選合適的水處理化學(xué)品時,已經(jīng)利用了有機化合物可以衍生而使結(jié)構(gòu)變化從而改變其性能的特點。例如,常在酸性溶液中使用的許多胺類水處理化學(xué)品看來似乎結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,但實際上它們與十八胺的結(jié)構(gòu)有共同之處,同屬胺類。其中的氮原子大多具有堿

21、性。就結(jié)構(gòu)不同的個別化合物而言,其烴基基團的不同(可大,可小,可簡單,可復(fù)雜)使各個化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生差異。作為緩蝕劑,它們不同的溶解性能和表面活性決定了它們的應(yīng)用特點和適用范圍。水處理化學(xué)品研究工作者就是通過掌握分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)變化之間的規(guī)律,設(shè)計不同的分子結(jié)構(gòu),獲得不同性質(zhì)的化合物。在聚羧酸鹽的開發(fā)中也可以找到相似的例子。較早發(fā)現(xiàn)了具有良好阻垢作用的聚丙烯酸,以后又從類似的結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了聚馬來酸,在某些情況下它具有更好的阻垢作用。更進一步改變聚羧酸的結(jié)構(gòu),利用馬來酸的反式異構(gòu)體富馬酸(反丁烯二酸)與丙烯磺酸鈉共聚,這就使所得到的共聚物不僅具有磺酸鈉基團SO3Na,而且羧基也并不完全

22、在分子的一側(cè)。這種高分子共聚物據(jù)報道兼具阻垢和緩蝕雙重作用。1.4.7多功能水處理化學(xué)品的研究開發(fā)具有緩蝕、阻垢和殺菌三種性能中的兩種或全部性能的新型水處理化學(xué)品一直是水處理化學(xué)品研究工作者的努力方向。事實上已經(jīng)使用的水處理化學(xué)品中就有不少這種情況,如水解聚馬來酸酐就是一種。又例如季銨鹽也兼具緩蝕和殺菌的作用。有機磷酸鹽也兼有緩蝕與阻垢的性能。有人進一步把以上兩類化合物的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,探索它們是否具有更多樣化的性能。如將EDTMP的結(jié)構(gòu)變成高分子的季銨鹽形式。如:這個化合物既具有原來EDTMP的多元膦酸形式,又具有季銨鹽的結(jié)構(gòu),是高分子化合物,因此原設(shè)計者預(yù)計其可能具有緩蝕、阻垢和殺菌的特性。

23、據(jù)報道,這些化合物的確兼具緩蝕、阻垢和對某些細菌的抑制殺滅作用。綠色水處理化學(xué)品的發(fā)展無磷、非氮并具有良好生物降解性能的合成高分子水處理劑聚天冬氨酸和聚環(huán)氧琥珀酸是國際公認(rèn)的兩種綠色水處理劑。美國Nalco公司開發(fā)的一種非磷非鉻的全有機系水處理藥劑(代號為8365),經(jīng)過應(yīng)用試驗確認(rèn)其緩蝕、阻垢效果極佳,并且具有無毒、無環(huán)境污染的特點,可以消除污水排放的后顧之憂。另一類綠色水處理化學(xué)品為天然產(chǎn)物及其改性水處理化學(xué)品,例如:天然改性殼聚糖、改性淀粉、改性單寧、改性瓜兒膠等。美國水處理市場總銷售額保持在32 1億美元,其中專用水處理化學(xué)品約占84%,合27億美元。鍋爐系統(tǒng)專用化學(xué)品(包括緩蝕劑、阻

24、垢劑和消泡劑)1995年銷售額為5 6億美元,約增長5%(含2 5%的通貨膨脹率);冷卻水系統(tǒng)專用化學(xué)品(包括阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑和分散劑)1995年銷售額為7 6億美元,也增長了5%。美國最大的水處理化學(xué)品市場在工業(yè),1995年約占20億美元,商業(yè)和公共機構(gòu)占4 7億美元,市政占1 6億美元,預(yù)計2000年前美國水處理化學(xué)品市場將以年均3%5%的速度增長。美國專用水處理化學(xué)品消耗額見表1。 表1 美國專用水處理化學(xué)品消耗額（以百萬美元計）產(chǎn)品名稱消耗額/106198919931997專用產(chǎn)品活性炭586682離子交換樹脂8097121有機聚合物248293369配方產(chǎn)品緩蝕劑5007008

25、51阻垢劑400475513殺蟲劑100120135燃燒助劑607078總計144618212149 注：用于處理燃燒氣洗滌器，表中數(shù)據(jù)不包括明礬、鐵鹽和氧化劑。美國、北美洲和歐洲的水處理市場已趨飽和,為尋求發(fā)展,大水處理公司正將目光轉(zhuǎn)向拉丁美洲、亞太和非洲等國外市場。很多美國公司在國外都設(shè)有分支機構(gòu)或代表處。拉丁美洲水處理化學(xué)品市場年增長速度高于12%,一些亞太國家的年增長速度則高達30%,遠超過美國3%5%、歐洲5%7%的增長率。中國、馬來西亞、新加坡、韓國、泰國、巴西、墨西哥、智利、阿根廷等國家都是很有希望的市場。Nalco公司在拉丁美洲的市場銷售額約為60007000萬美元,占整個拉丁

26、美洲水處理市場的2/3。1996年上半年Nalco公司在該地區(qū)的市場銷售額增長了17%。Betz收購Dearbon之后,國外市場占有率已由28%增至44%。為增強自身在亞洲的競爭力, BetzDearbon還收購了臺灣的Peitz公司。Calgon公司約25%的銷售額來自北美洲以外的市場。Drew工業(yè)也買下了其澳大利亞和新西蘭合資伙伴的全部股份,充分利用了這兩個地區(qū)的工業(yè)增長。預(yù)計我國水處理化學(xué)品市場也將面臨外商的激烈競爭和挑戰(zhàn),對此我們必須有所準(zhǔn)備。1.5 重金屬廢水的來源和危害1.5.1重金屬廢水來源重金屬廢水來源于電鍍、采礦、化工等行業(yè)。主要來自礦山坑內(nèi)排水、廢石場淋浸水、選礦廠尾礦排水

27、、有色金屬冶煉廠除塵排水、有色金屬加工廠酸洗水、電鍍廢水等。這些廢水的重金屬離子的種類、含量及其存在形態(tài)隨著不同的生產(chǎn)行業(yè)而存在差異,變化很大。近幾年,隨著電鍍工業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是點多面廣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)電鍍企業(yè)的發(fā)展,使電鍍公害日益表面化。電鍍行業(yè)產(chǎn)生廢水造成的污染嚴(yán)重,1994年被我國政府列為25種限制發(fā)展的行業(yè)之一。因此,電鍍界在不斷開拓新工藝的同時,都在致力于電鍍廢水的治理技術(shù)的應(yīng)用研究,電鍍廢水成為具有代表性的難處理的工業(yè)廢水之一。主要由于廢水中含有大量的重金屬離子,這與它的行業(yè)性質(zhì)有關(guān)。直接排入受納水體不僅污染環(huán)境,也浪費了大量有價金屬,電鍍廢水的有效治理再國內(nèi)外引起廣泛重視。1.5.2重

28、金屬廢水危害在環(huán)境保護中,重金屬一般是指Hg,cd,Pd,cr和類金屬As等生物毒性顯著的元素,也指具有一定毒性的一般重金屬,如zn,cu,C。,Ni,Sn等元素。重金屬在水中的一般以離子形式存在,對水體、土壤環(huán)境造成很大的危害。下面結(jié)合本課題研究情況,主要簡要介紹鉻、銅和鉛的主要危害。銅對人體造血、細胞生長、某些酶的活動及內(nèi)分泌腺功能均有影響,如攝入過量的銅,就會刺激消化系統(tǒng),引起腹痛、嘔吐。銅對低等生物和農(nóng)作物毒性較大,其濃度達0.1mgL-1,0.2mgL-1,即可使魚類致死,與鋅共存時毒性可以增加,對貝殼類水生物毒性更大,一般水產(chǎn)用水要求銅的濃度在0.01mgL-1以下。銅對水體自凈作

29、用有較嚴(yán)重的影響,濃度為0.1mgL-1時,會使水的生化耗氧過程明顯受到抑制。Cr3+在人體中不容易被消化吸收,在皮膚表層與蛋白質(zhì)結(jié)合,過量的Cr3+易積存在肺泡中,引起肺癌,進入血液中會引起肝和腎的功能障礙。Cr6+有很大的刺激和腐蝕性,可引起胃潰瘍、喉炎和腸炎。在動物的肺內(nèi)存量很多時,對肺有一定的損害。Cr6+對人的皮膚有刺激作用,可導(dǎo)致皮膚過敏癥狀,接觸鉻酸鹽、鉻酸霧的部位可出現(xiàn)皮炎,呼吸系統(tǒng)也會引起隔膜穿孔,咽喉炎和肺炎等癥狀。流行病學(xué)研究表明: Cr6+化合物是常見的致癌物質(zhì),吸入到血液中奪取部分的O2,使血紅蛋白變成高鐵血紅蛋白,可造成紅細胞的攜氣機能障礙,發(fā)生窒息。Hemlam研

30、究了Cr6+的毒性,討論了Cr6+濃度對紅細胞的攜氣機能的影響,相比而言, Cr6+對人類產(chǎn)生的毒性遠遠大于Cr3+產(chǎn)生的毒性。所有含鉛的化學(xué)品和化合物都被認(rèn)為是累積性毒物。人體中攝入大量鉛后,主要效應(yīng)與4個組織系統(tǒng)相關(guān):血液、神經(jīng)、腸胃和腎。急性鉛中毒通常表現(xiàn)為腸胃效應(yīng)。在劇烈的爆發(fā)性腹痛后,出現(xiàn)厭食、消化不良和便秘。慢性鉛中毒可引起慢性腦綜合癥,具有嘔吐、嗜睡、昏迷、運動失調(diào)、活動過度等視野神經(jīng)病學(xué)癥狀。大量攝入鉛后還會導(dǎo)致不育、流產(chǎn)、死嬰、新生嬰兒的死亡。此外,其它的各類重金屬元素如砷、金、鋅等也都對環(huán)境和人體造成嚴(yán)重的危害。重金屬酸洗廢水影響魚類和水生物生長,妨礙漁業(yè)生產(chǎn)。據(jù)資料報道,

31、江蘇某廠每年向附近水庫排放酸洗電鍍廢水47000余噸,造成魚產(chǎn)量從巧萬斤降至2萬斤左右。昆明市每天排放鉻酸40多噸,滇池水體常出現(xiàn)死魚,珍貴魚種如:金線魚、桂花魚及海菜花己趨絕跡28。重金屬廢水排入土壤,植物體內(nèi)重金屬逐步積累,葉片會退綠發(fā)黃。植物生長發(fā)育受阻甚至死亡。造成農(nóng)業(yè)、林業(yè)減產(chǎn),1974年,遭到北京某廠排放的電鍍廢水污染的水體污灌農(nóng)田,造成3000畝小麥死亡。1.5.3重金屬廢水污染的特點重金屬隨廢水排出時,既使?jié)舛群艿蜁r,也可能造成危害。重金屬廢水具有如下特點:(l)在天然水體中只要有微量重金屬,即可產(chǎn)生毒性反應(yīng),且毒性具有長期持續(xù)性。重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1.010mgL-1

32、之間,毒性較強的重金屬如汞、鎘等毒性濃度范圍在0.001一0.1mgL-1。水體中某些重金屬可在微生物作用下,轉(zhuǎn)化為毒性更強的有機化合物。例如,無機汞在天然水體中可被微生物轉(zhuǎn)化為毒性更強的甲基汞。(2)生物可大量富集重金屬,通過食物鏈,危害人類。生物從環(huán)境中攝取重金屬,并經(jīng)體內(nèi)或某些器官中高度富集,其富集倍數(shù)可達成千上萬,水生動植物、陸生農(nóng)作物都有這種現(xiàn)象,然后通過生物鏈進入人體,在某些器官中積蓄起來構(gòu)成慢性中毒, 嚴(yán)重危害人體健康。(3)重金屬不能被生物降解,只能改變其化合價和化合物種類。天然水體中OH-1,C1-1,SO2-,NH3+、有機酸、氨基酸、腐植酸等,都可以同重金屬生成各種絡(luò)合物

33、或鰲合物,使重金屬在水中的濃度增大,也可以使沉入水底的重金屬又釋放出來。有關(guān)國家都制定的重金屬廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。1.5.4重金屬廢水處理方法目前重金屬廢水的治理技術(shù)有:化學(xué)法:化學(xué)沉淀法、氧化一還原法(置換法)、鐵氧體法;氣浮法;蒸發(fā)濃縮法;吸附法:活性炭吸附法、腐植酸類吸附法、粘土(斜發(fā)沸石)吸附法;離子交換法;電解法:膜分離法:電滲析、反滲透、液膜法;生物法以及多元綜合防治技術(shù)?，F(xiàn)分別簡單介紹如下:(1)蒸發(fā)濃縮法此工藝能耗大,操作費用高,雜質(zhì)干擾資源回收問題還待研究。一般將其作為其它方法的輔助處理手段。(2)化學(xué)法化學(xué)法的缺點是,要不斷消耗化工材料,達不到深度處理,處理效率低,一般因沉淀而產(chǎn)

34、生污泥,易造成二次污染,排出的水回用困難,占地面積較大。(3)離子交換法離子交換法不足之處在于:一是投資大,一般占地面積較大,技術(shù)掌握較難,廢水處理物濃度不宜太高,存在再生洗脫液的處理問題。(4)電解法電解法在處理含氰、含鉻、含鎬、含銅等電鍍廢水中獲得了應(yīng)用。由于電解法要消耗較多的電能以及受到許多因素的限制,因此發(fā)展并不快。(5)膜分離方法膜分離方法主要包括電滲析法、反滲透法和液膜法。電滲析法預(yù)處理要求多,耗電量大;膜的質(zhì)量尚待提高,限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。反滲透法濃縮比有限;并且膜的質(zhì)量問題還有待提高。液膜法研究和應(yīng)用仍停留在實驗室研究階段,要使液膜法實現(xiàn)工業(yè)化還需繼續(xù)探索,推出成套設(shè)備,并

35、要有符合工廠使用的工藝過程的控制方法。(6)活性炭法活性炭法利用了活性炭的物理吸附、化學(xué)吸附及氧化還原等作用,以除去廢水中的有害物質(zhì)。目前活性炭法多用于處理含鉻廢水和含氰廢水。該法工藝簡單,裝備制造便宜;適用范圍廣能除去大多數(shù)重金屬、有機物和生物分子。具有投資少,占地面積小,上馬快,處理效果好的特點。制約活性炭吸附法應(yīng)用的主要因素在于成本較高,活性炭再生效率低。活性炭再生方法通常有:熱解、氧化、超臨界、酸堿等。在熱再生過程中,炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)都有不同程度的改變。缺點是炭耗大,一般為5%20%,每天再生炭量多于250kg一500地時,熱再生才會具有經(jīng)濟性。此外,再生炭的機械強度下降,粗

36、孔數(shù)量增加,表面積減少,再生設(shè)備復(fù)雜,基建和運行費用高,能源利用率低,不易小型化;汽化有機物往往在再生爐內(nèi)燃燒不充分,為防止空氣污染,需設(shè)后燃燒設(shè)備及洗氣塔。通常,熱解、氧化、超臨界等方法適用于對吸附有機物的活性炭的再生,而酸堿處理適合于吸附金屬離子的活性炭的再生。目前我國重金屬廢水的處理方法,應(yīng)用較多的還是化學(xué)法、離子交換法、電解法,但是存在的問題也逐步突現(xiàn)出來,隨著新型活性炭制備工藝的研發(fā)與應(yīng)用,活性炭制備成本逐漸下降,勞動強度下降,工作環(huán)境提高,活性炭再生效率得到提高,該方法的優(yōu)越性越來越顯現(xiàn)出來。1.6 活性炭纖維概述1.6.1活性炭纖維及其應(yīng)用研究進展目前,對ACF的研究日趨興起,A

37、CF氧化還原特性機理、動力學(xué)及其吸附性能的關(guān)系已經(jīng)形成較為成熟的理論體系。ACF吸附動力學(xué)穿透曲線的研究等將使ACF的理論研究更為完善,大大拓寬了ACF的應(yīng)用領(lǐng)域。在今后一段時期內(nèi),從ACF的制造原材料出發(fā),改善工藝條件,降低生產(chǎn)成本,改進ACF的生產(chǎn)工藝和設(shè)備,改善ACF的表面結(jié)構(gòu)和性能,完善對普通有機蒸氣、水溶液中污染物的吸附處理的工業(yè)應(yīng)用工藝,研究新的潛在功能,開發(fā)其新的應(yīng)用領(lǐng)域等將是今后研究的發(fā)展趨勢。此外,也可以與其他材料復(fù)合,充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)越性,提高性價比,進一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。ACF是非常有發(fā)展前途的高效吸附材料,無論污染物質(zhì)是微量級還是高濃度,都可采用ACF進行吸附處理,

38、達到滿意效果,在很多領(lǐng)域中可能取代活性碳。當(dāng)然,在ACF開發(fā)和應(yīng)用中,如何克服ACF成本較高,如何發(fā)揮ACF的優(yōu)異性能,飲用水經(jīng)ACF處理后毒理學(xué)方面有什么變化,解吸脫附還有待進一步確定等方面有待深入研究。活性炭纖維(activatecarbonfiber,ACF),是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新型吸附功能材料,它以木質(zhì)素、纖維素、酚醛纖維、聚丙烯纖維、瀝青纖維等為原料,經(jīng)炭化和活化制得。與粒狀、粉狀活性炭相比較,ACF具有特有的微孔結(jié)構(gòu),更高的外表面積和比表面積以及多種官能團,平均細孔直徑也更小,通過物理吸附、化學(xué)吸附以及物理化學(xué)吸附等方式在廢水、廢氣處理、溶劑回收、水凈化等領(lǐng)域得到了

39、廣泛應(yīng)用。1.6.2ACF的應(yīng)用1ACF用于水凈化ACF對水凈化有特殊功能,例如,對水質(zhì)混濁有明顯的澄清作用,可以除去水中的異臭、異味;對水中含高鐵、高錳等無機物凈化效果明顯;對氰、氯、氟、酚等有機化合物去除率達90%以上,對細菌有極好的過濾效果,如大腸桿菌去除率達98%。有人用ACF進行了排除地下水中氯化物和飲用水源地下水中三氯甲烷前驅(qū)物的研究。2用于廢水處理(1) 有機化工廢水處理: 中山大學(xué)研制生產(chǎn)的ACF用于處理含酚工業(yè)廢水已通過中試技術(shù)鑒定,1985年獲國家專利。用ACF處理含酚工業(yè)廢水,出水苯酚質(zhì)量濃度可下降至0.5/以下,這是目前已知的其他吸附劑所難以達到的。ACF用于模擬甲苯廢

40、水的處理,結(jié)果表明,ACF對甲苯吸附容易,吸附容量大。甲苯平衡質(zhì)量濃度在74162.3/范圍內(nèi),吸附容量可達0.540.67/。吸附飽和的用100蒸汽再生,效果顯著,經(jīng)多次再生重復(fù)使用,吸附能力無明顯變化。(2) PCBs廢水處理5:含PCBs1027/的廢水經(jīng)單級ACF吸附,出水達國家排放標(biāo)準(zhǔn),單柱穩(wěn)定運行周期7080,ACF吸附容量7/。(3) 制藥廠高濃度廢水處理6:某制藥廠COD達10000/的廢水采用ACF三級吸附,凈化效率達86%以上,脫附時用150350空氣及蒸汽混合脫附,ACF性能不變,ACF靜態(tài)吸附容量大于0.5/。本實驗室使用的表面改性的ACF處理某制藥廠含硝基苯的廢水,處

41、理效果好,出水能夠達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。加熱再生后吸附性能不會降低,ACF靜態(tài)吸附容量大于0.2/。(4)煉油廠環(huán)烷酸綜合廢水處理7:該廢水COD達5000/,揮發(fā)酚1600/,采用一級ACF吸附, COD去除率達96.5%以上,揮發(fā)酚309001300聚丙烯腈ACF10001500100.450.74100.020.0335307001000GAC0.01800010000.340460.530.40.520表3 ACF和AC的化學(xué)組成（%）品質(zhì)碳氫氧氮各種金屬聚丙烯腈基ACF89.30.94.05.8人造絲基活92.00.82.90.15活性碳纖維A人造絲基活94.50.63.50.10活

42、性碳纖維B粒狀活性碳93.31.03.31.5ACF 表面存在著大量的含氧官能團: 羥基、羰基、羧基、內(nèi)酯基等酸式或堿式含氧官能團, 更易形成氫鍵, 對某些物質(zhì)具有更好的吸附能力 。此外,ACF 具有氧化還原性能。在脫附再生上, 活性碳再生溫度高, 約為540960 恢復(fù)率在90%左右 每次再生損耗7% 10%, ;ACF 脫附相對較簡單,在 200 500的過熱水蒸汽或水蒸汽與熱空氣混合脫附, 也有根據(jù)吸附質(zhì)特點,采用脫附劑進行脫附, 其性能基本不變,在脫附再生上, 活性碳再生溫度高, 約為540960 恢復(fù)率在90%左右, 每次再生損耗7% 10%;ACF 脫附相對較簡單,在 200 50

43、0的過熱水蒸汽或水蒸汽與熱空氣混合脫附, 也有根據(jù)吸附質(zhì)特點, 采用脫附劑進行脫附, 其性能基本不變, 且脫附速度快, 時間短。2.4 粒狀活性碳與活性碳纖維過濾器性能對比隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對環(huán)境污染問題的重視程度及室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的只對可吸入顆粒物起作用的空氣過濾器已經(jīng)不能滿足人們的要求，于是化學(xué)過濾器便應(yīng)運而生，這是因為它可以清除空氣中的氣體污染物。隨著工業(yè)的發(fā)展和城市的不斷擴大，我們身邊有害氣體的濃度也在增加，而人們對空氣的潔凈度要求卻在逐年提高，于是人們對化學(xué)過濾器的需求量也就在逐年增加?；瘜W(xué)過濾器過濾原理是：有選擇的吸附有害氣體分子，而不是像普通過濾器那樣機械地清除

44、雜質(zhì)。在通風(fēng)和空調(diào)領(lǐng)域，化學(xué)過濾器使用活性碳作為主要過濾材料?；钚蕴疾牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖祝渲薪^大部分微孔的孔徑在5500A，(1A=110-10以下同）之間，單位材料中微孔的總內(nèi)表面積可高達7002300m2/g，也就是說，在一個米粒大小的活性碳顆粒中，微孔的內(nèi)表面積相當(dāng)于一個大客廳內(nèi)墻面的大小。根據(jù)材料的處理方法，活性碳吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附?jīng)]有明顯的化學(xué)反應(yīng)，它主要依靠范德華力。化學(xué)吸附是經(jīng)過化學(xué)處理而使材料與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的吸附，它的原理是：活性碳靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物起反應(yīng)，生成固體成分或無害的氣體。2.4.1粒狀活性碳過濾器及活

45、性碳纖維過濾器活性碳（AC）AC是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和大的內(nèi)部比表面積的材料。由于其大的表面積、微孔結(jié)構(gòu)、高的吸附能力和很高的表面活性而成為獨特的多功能吸附劑，且其價廉易得，部分還可再生活化，同時它可有效去除廢水、廢氣中的大部分有機物和某些無機物，所以它被世界各國廣泛地應(yīng)用于污水及廢氣的處理、空氣凈化、回收稀有金屬及溶劑等環(huán)境保護和資源回收等領(lǐng)域?；钚蕴挤譃榱罨钚蕴肌⒎勰┗钚蕴技盎钚蕴祭w維，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生賦活而被限制利用。 粒狀活性碳（GAC）GAC的8590用于水處理和氣體吸附處理，它的粒徑為5005000um，GAC的孔結(jié)構(gòu)一般是具有三分散態(tài)的孔分布，既具有按國際純

46、粹與應(yīng)用化學(xué)會（IUPAC）分類的孔徑50nm的大孔，也有2.050nm的中孔(過渡孔)和2.0nm的微孔44。由于GAC的孔狀結(jié)構(gòu)所致，它的吸附速度較慢，分離率不高，特別是它的物理形態(tài)使其在應(yīng)用和操作上的有諸多不便，限制了GAC的應(yīng)用范圍。 活性碳纖維（ACF, activatecarbonfiber） ACF是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產(chǎn)品。70年代發(fā)展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業(yè)發(fā)展起來的一種新型、高效的吸附劑。2.4.2活性炭纖維的特點ACF是多孔碳家族中具有獨特性能的一員，與傳統(tǒng)的粒狀活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特點：CF與GAC的孔結(jié)構(gòu)有很大的差異，如圖4和圖

47、5所示。ACF的孔分布基本上呈單分散態(tài)，主要由小于2.0nm的微孔組成，且孔口直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達吸附位的擴散路徑短，纖維直徑細，故與被吸附物質(zhì)的接觸面積大，增加了吸附幾率，且可均勻接觸。圖4 ACF 和GAC的孔結(jié)構(gòu)模型比表面積大，最大可達2500m2/g，約是GAC的10100倍：吸附容量大，約是GAC的1.5100倍；吸附能力為GAC的400倍以上；吸附、脫附速度快，ACF對氣體的吸附數(shù)10秒至數(shù)分鐘可達平衡。 ACF孔徑分布范圍窄，絕大多數(shù)孔徑在100A以下，GAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有微孔、過渡孔和大孔之分，而ACF的結(jié)構(gòu)只有微孔及少量的過渡孔，沒有大孔，并且孔徑均勻，分布比較狹窄

48、，為0.11nm，這是ACF吸附選擇性較好的原因。ACF不僅對高濃度吸附質(zhì)的吸附能力明顯，對低濃度吸附質(zhì)的吸附能力也特別優(yōu)異，如當(dāng)甲苯氣體含量低到10ppm以下時，ACF還能對其吸附，而GAC必須高于100ppm時方能吸附。 耐熱、耐酸堿；具有很強的氧化還原特性，可將高價金屬離子還原為低價態(tài)。 體積密度小，濾阻小，約是GAC的1/3?？晌秸扯容^大的液體物質(zhì)，且動力損耗小。而且ACF易再生，工藝靈活性大（可制成紗、布、氈和紙等多種制品）；以及不易粉化和沉降等特征，這些特征有利于吸附和脫附，使得ACF對各種有機化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。 吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定，其吸附性能的值log（C0C）可由下式計算求得45：log（C0C）=0.0064S0.123D0.935 式中：C0初始濃度 C平衡濃度圖5 ACF 與GAC的孔徑分布 S吸附劑的比表面積（m2/g）D吸附記得孔徑直徑（nm）由上式可 ，吸附劑的比表面積越大吸附能力也越大，吸附劑的孔隙直徑越小具有的吸附能力越大。活性碳纖維最顯著的特點是具有發(fā)達的比表面積（1000m2/g3000m2/g）和豐富的微孔，微孔的體積占總孔體積的90以上，微孔直徑約)10A左右，故其吸附能力大。它對硫醇類惡臭氣味化合物及苯酚和亞甲基蘭等離子具有特殊的吸附能力，且其表