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1、毕业设计（论文）目录1.1 引言21.2 国内外水处理研究现状31.2.1 工业废水的一般处理方法31.3 我国多功能水处理剂的研究现状41.3.1发展概况41.3.2存在的问题51.3.3结论51.4 美国水处理化学品市场现状51.4.1美国水处理化学品市场概况51.4.2水处理化学品的现状61.4.3水处理化学品发展的方向61.4.4新型合成水处理化学品的开发61.4.5水处理化学品间的复配增效技术研究71.4.6水处理化学品的分子结构设计以及与其性能的相关性研究71.4.7多功能水处理化学品的研究81.5 重金属废水的来源和危害101.5.1重金属废水来源101.5.2重金属废水危害11
2、1.5.3重金属废水污染的特点121.5.4重金属废水处理方法121.6 活性炭纤维概述131.6.1活性炭纤维及其应用研究进展131.6.2的应用141.7 研究目的意义及内容161.7.1研究的目的和意义161.7.2研究内容162 活性碳纤维162.1 结构特征172.2 表面化学结构172.3 活性碳纤维与活性碳的比较182.4 粒状活性碳与活性碳纤维过滤器性能对比202.4.1粒状活性碳过滤器及活性碳纤维过滤器202.4.2活性炭纤维的特点212.5 粒状活性碳过滤器和活性碳纤维过滤器的性能对比232.5.1两种过滤器对水的过滤233 实验材料与方法243.1 活性炭纤维处理甲苯废水
3、的试验243.2 活性碳纤维对含酚类废水的处理实验293.3活性炭吸附法处理含重金属废水313.4活性炭纤维对水中重金属离子的吸附研究333.4.1实验部分343.4.2实验方法343.4.3结果与讨论344 性能测试（X射线衍射物相分析）365 再生式废水处理塔的设计436 致谢517参考文献5201 绪论1.1 引言我国水资源缺乏，人均水资源只有世界平均水平的四分之一，被联合国列为13个贫水国之一。水资源紧缺问题已经制约了国民经济和社会的发展，虽然这些年来我国一直强调节约用水，但各地的用水量和排水量仍不断增长，水污染也不断加剧。因此，开展废水回用工作，已经迫在眉睫。缺水和环保已成为制约高耗
4、水、多污染石化企业可持续发展的瓶颈。近年来随着人类环保意识的不断提高，对于生存的环境，特别是对空气、水等净化密切相关的活性炭等环保材料的性能要求越来越高，外排废水回用作循环冷却水装置的研究及探索新的多功能水处理剂材料就具有很重要的现实意义。工业水处理是一门介于应用化学、能源利用、水资源利用和环境保护之间的边缘学科。他研究的是工业用水的预处理，用水的深层次净化（软化和除盐）处理，循环冷却水处理和工业生产污水的处理技术。工业水处理对于确保工业生产地安全经济运行，防止事故发生，节能降耗，保证产品质量，改善工业生产和周围居民生产生活环境等，有着十分明显的作用和贡献。工业水处理可以分为工业用水处理（也有
5、人称为工业给水处理）和工业废水处理。工业用水处理就是将水质处理到能满足企业内部不同的工艺、不同设备对水质的需求，保证企业生产的正常进行。比如锅炉要求提供纯水或软化水；电子工业要求使用纯水并去除水中的微粒；食品工业要求水能符合相应的饮用水标准；密闭式冷却水系统，则要求水为清水、软化水或纯水。如果达不到这种要求，则会对产品、设备产生一系列的危害。所以，现代的工业企业，都非常重视用水的水质及相应的水处理工作，因此它是保证产品质量、提高效率、保证设备的重要条件。1.2 国内外水处理研究现状1.2.1 工业废水的一般处理方法工业废水治理方法，一般可分为物理法、生物化学法、物理化学法及化学法。物理法 只要
6、是利用物理原理和机械作用对废水进行治理，故也称机械法，其中包括沉淀，均衡调节，过滤及离心分离等方法。物理化学法 通过物理化学过程来处理废水以除去污染物质的方法。主要有吸附、浮选、反渗透、电渗析、超声波及超吸附等方法。化学法 通过施用化学试剂或采用其他化学手段进行废水处理的方法，如中和、氧化、还原、离子交换等。生物化学法 是利用微生物的作用，去除废水中的溶胶物质及有机物质的方法。包括活性污泥法、生物转盘法、生物滤池法以及厌气处理方法。对于一定的工业废水，往往要进行实际试验、比较，才能确定出有效、经济合理的处理方案。有时要选用不同的方法进行组合处理，才能取得满意的效果。废水处理也可分为一级处理，二
7、级处理和三级处理。一级处理主要是解决悬浮固体、胶体悬浮油类等污染问题，常用物理方法和中和法；二级处理主要是解决溶解在水中的有机物及部分悬浮固体的污染问题，经常采用生物处理法；三级处理为废水的深度处理，主要是解决难以分解的有机物和无机物，使水质达到排放和回用要求。常用的处理方法有活性炭吸附、离子交换、反渗透等方法。经过三级处理后，水质基本上可以达地面水标准。1.3 我国多功能水处理剂的研究现状水处理剂是工业用水、生活用水、废水处理过程中必须使用的各种化学药剂的总称。主要用于控制水垢、污泥的形成,减少水相材料的腐蚀,除去水中的悬浮固体和有害物质、除臭脱色、软化和稳定水质等。用化学法对工业废水进行处
8、理主要是在水处理系统中投加絮凝剂、缓蚀剂、杀菌剂等多种药剂,但是多种药剂投加,会使处理工艺流程复杂,设备增多,药剂费用昂贵,操作过程复杂化,有时甚至会因多种试剂的投加而互相拮抗,从而降低药剂的效果,故研究一种水处理剂,它兼具有两项或多项功能,就显得非常重要。近20年来,一类具有一剂多效,兼有絮凝、缓蚀、杀菌等多功能水处理剂的研究和开发取得了相当大的进展,用此类药剂对工业废水进行处理,处理后的废水不仅能达到合乎排放标准,而且在水处理过程中能够减缓其对金属设备、管道腐蚀、抑制细菌滋生和杀灭细菌,对多功能水处理剂的研究,具有重要的理论意义与重大的应用价值,对促进我国的水处理工业与环境治理,保证工农业
9、生产的可持续发展有着积极的推动作用。一.我国多功能水处理剂的发展概况及存在问题1.3.1发展概况多功能水处理剂是水处理剂研究的一个重要方面,它的研究内容丰富,进展也较快,它是通过药剂的一次投加来实现废水的多方面处理,拓宽了水处理剂的生产和应用范围,对化学法处理工业废水的发展有重大的促进作用。除CG-A外,新研制的多功能水处理剂有CG-A3、CMT-A2等,这些药剂在模拟油田含油质水处理及工业水处理的应用效果显示它们既有优良的絮凝净化效果,又有抑制腐蚀特点是点蚀的作用,有些还具有优良的阻垢性能。絮凝-杀菌剂、絮凝-杀菌-缓蚀剂的研究开发也取得了一定的成果,据报道此类药剂能有效吸附水中微细颗粒和细
10、菌,从而能较好地富集细菌于底泥中。由于底泥中既富集了细菌,又浓缩了杀菌成分,因此有利于细菌的集中捕杀。从1987年开始,进行了F691的阴离子改性天然高分子的研究工作,研制开发出的絮凝-杀菌剂CG-C,用它进行水处理絮凝实验时,具有电荷中和与吸咐架桥的双重作用,且有利于细菌的集中捕杀,有其良好的应用前景。近年来,进行了天然高分子改性的氮杂环季铵盐水处理剂的研究开发,已取得了初步成果,如絮凝-缓蚀-杀菌剂FQA-C,在机理研究方面,取得了开拓性进展,如提出了絮凝-双成膜缓蚀模型,渐减絮凝-渐增杀菌协同机理模型,该模型的絮凝组分属于阴离子型的高分子絮凝剂,与聚合氯化铝配伍时能取得很好的絮凝效果,这
11、都为今后开发多功能水处理剂打下了基础。1.3.2存在的问题(1)开发的药剂品种不多。我国虽然在天然高分子多功能水处理剂方面已取得了较大突破,但在合成高分子水处理剂方面,无消息报道。(2)研究多功能水处理剂的基础理论比较薄弱。例如对药剂的絮凝、缓蚀、杀菌作用机理、不同组分之间的协同效应等研究不够。(3)阳离子聚丙烯酰胺应该是重点发展的合成高分子药剂,特别是多功能阳离子聚丙烯酰胺更是我国水处理工业中急需的水处理剂,在国内尚属空白。1.3.3结论(1)在不断提高、完善现有品种的生产技术的基础上,继续开发国内空白又属需求的新品种。吡啶季胺盐型阳离子聚合物是将4-乙烯基吡啶与丙烯酰胺进行共聚合,然后使用
12、季胺化试剂作用,使吡啶环正离子化,这样制得的共聚物不仅实现了聚丙烯酰胺的阳离子化,而且又将氮杂环季胺盐引入高分子之中,是一种新兴的多功能水处理剂。(2)要获得高分子量和低单体含量的多功能水处理剂,寻找合适的引发剂和改进聚合方法是关键的问题。(3)加强理论研究努力开发新型仪器、设备、分析监测等配套产品。(4)多功能水处理剂是水处理药剂研究的一个重要方面,它的研究内容丰富、进展快,对化学法处理工业水的发展有重大促进作用。1.4 美国水处理化学品市场现状1.4.1美国水处理化学品市场概况水处理化学品市场由市政水处理市场和工业水处理市场组成。市政水处理市场包括饮用水和城市废水处理;工业水处理市场包括冷
13、却水和蒸汽发电厂、商业/公共机构的建筑、设备用水以及工厂排放废水的处理。专用水处理化学品是指活性炭、离子交换树脂、有机聚合物絮凝剂和缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂、消泡剂、燃烧助剂等配方化学品。各种水处理化学品的主要作用是抑制垢、污泥和粘泥生成;减少泡沫;降低与水接触材料的腐蚀;控制;除去悬浮固体(澄清);除去颜色和臭味;软化和矿化水。1.4.2水处理化学品的现状在工业冷却水中,为了控制腐蚀、结垢及微生物黏泥等而添加的化学品称为水处理化学品或水处理剂,习惯上也称为水质稳定剂。水处理技术在发展的初期和中期,添加的水处理化学品一般都是简单的无机化合物,如石灰、二氧化碳、硫酸、氯气、磷酸盐等。这些无机化合物
14、大都是工业原料,价廉而易得。然而,单纯使用无机化合物,水处理效果受到一定的限制,因此,在生产上就逐步地发展成和某些天然的有机化合物复合使用来达到水质控制的目的。如单宁、淀粉、木质素等都是很早就使用的天然有机水处理化学品。20世纪60年代初,为了有效地达到缓蚀、阻垢和杀菌的目的,更好地控制排污水所造成的污染和公害,逐步发展和使用了新型的有机缓蚀剂、有机阻垢剂和有机杀菌剂。总的趋势是越来越多的无机化合物逐步被有机化合物所取代,某些无机水处理化学品往往也只有和有机水处理化学品复合使用才更有效。目前,合成和新发展的有机水处理化学品都是合成产物,而且几乎已完全代替了原来应用的天然有机化合物。许多行之有效
15、的合成表面活性剂也逐渐被应用到水处理领域,作为杀菌灭藻的水处理化学品和污泥剥离水处理化学品。目前,国内循环冷却水系统大都采用磷系复合配方,其主要优点是无毒和使用浓度较低,然而磷系缓蚀阻垢剂可以充当水中细菌和藻类的营养成分,引起水源的富营养化。随着社会的进步和人类环保意识的增强,只有那些没有污染或能很快被生物降解、价格又很低廉的高效绿色水处理化学品,才是受人们欢迎的真正的新型水处理化学品。1.4.3水处理化学品发展的方向应该指出,水处理化学品的发展绝不是孤立进行的。它与机理的研究、合成工艺与测试方法的变革,甚至分子设计理论等方面的发展密切相关,相互促进。水处理化学品要能在工业上大规模应用,必须考
16、虑水处理化学品的污染问题和成本问题。只有那些没有污染或能很快被生物降解、价格又很低廉的高效多功能水处理化学品(如阳离子改性单宁具有阻垢、缓蚀、絮凝等多种功能)才是受人们欢迎的真正的新型水处理化学品。因此,可以预计,不久将有更多的、更有效的环境友好型的新型缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂,污泥剥离剂被开发出来并得到更广泛的应用。今后水处理化学品的发展可能有如下动向。1.4.4新型合成水处理化学品的开发新型水处理化学品研究的方向主要有两个方面:一是研制性能更好的缓蚀剂、阻垢剂、污泥剥离剂、杀菌剂或清洗剂;二是合成兼具以上两种或多种性能的水处理化学品。这两个方面的探讨重点都在有机化合物方面,这是因为目前的有机
17、合成水平已经基本上能够设计和合成出理想的具有特定结构的新型有机化合物,从而有希望筛选出合乎理想的、适合于水质控制以及废水处理的新型水处理化学品。以合成的产品代替天然产物,或以化合物代替混合物,或是对产品规格提出更高、更严格的要求是新型水处理化学品的方向。应用于水质控制的水处理化学品,现在有一些仍然还是天然产物,有些水处理化学品的组成并不十分严格,因而它们的性能和效果也就不十分稳定。例如:淀粉、木质素、栲胶(含单宁的天然产物)曾长期作为阻垢分散剂使用。这些天然产物的组成不稳定,效果也不同,已逐渐被人工合成的有机化合物所代替。某些水处理化学品虽然是化工厂的合成产品,但它们实际上是混合物,高分子聚合
18、物都是不同相对分子质量的混合物。具有最佳阻垢作用的,往往仅为一定相对分子质量范围内的产品。随着对缓蚀阻垢机理的深入研究,就有可能对这些产品的相对分子质量提出确切的要求。另外,有机合成工业的发展已有可能在合成生产过程中控制聚合物相对分子质量的大小,因而能获得更为理想的产品来满足水质控制的严格要求。1.4.5水处理化学品间的复配增效技术研究目前,使用的水处理药剂几乎都是具有不同功能水处理化学品的复合产品。这主要是因为每种水处理化学品都有一定的局限性,同时也是为了充分地利用各种水处理化学品之间的协同效应。复合配方不仅在目前而且在今后一个相当长的时期内都是非常重要的。但是,复合配方对各种水处理化学品组
19、分的要求也将日益严格,配方的组成应尽可能简化。华东理工大学霍宇凝等对聚天冬氨酸与氧化淀粉复配物的阻垢性能进行了研究,结果表明:复配物阻垢性能较单纯的聚天冬氨酸优异,可适用于高钙、高pH、高温的水系统中,并可在水系统中长时间停留。在冷却水系统,锌盐(ZnSO4)是一种常用的单剂,其和铬酸盐等钝化膜型缓蚀剂以及多元膦酸、聚羧酸等有机缓蚀剂复配使用可以降低它们的使用量,并可以防止磷酸盐、硅酸盐和硫酸盐使用量过多而生成的沉淀。通过对缓蚀剂复配增效机理的研究,可以降低对环境毒性大的缓蚀剂使用量,一定程度上减轻它们的危害性。目前国内外都在致力于开发采用多元羧酸、羟基羧酸、不饱和羧酸、含磺酸基高分子共聚物、
20、氨基酸和多糖等单剂的全有机系复合水处理药剂。1.4.6水处理化学品的分子结构设计以及与其性能的相关性研究有机水处理化学品具有相对分子质量较大、结构复杂的特点。其结构上的特点往往是它们所以能具有缓蚀、阻垢和杀菌性能的内在因素。一个化合物的性能和它的结构之间具有必然的联系。因此要设计和选用新型的有机水处理化学品,它的结构问题是首先必须考虑的重要问题。事实上,过去从有机化合物中筛选合适的水处理化学品时,已经利用了有机化合物可以衍生而使结构变化从而改变其性能的特点。例如,常在酸性溶液中使用的许多胺类水处理化学品看来似乎结构复杂多样,但实际上它们与十八胺的结构有共同之处,同属胺类。其中的氮原子大多具有碱
21、性。就结构不同的个别化合物而言,其烃基基团的不同(可大,可小,可简单,可复杂)使各个化合物的物理性质和化学性质产生差异。作为缓蚀剂,它们不同的溶解性能和表面活性决定了它们的应用特点和适用范围。水处理化学品研究工作者就是通过掌握分子结构与性质变化之间的规律,设计不同的分子结构,获得不同性质的化合物。在聚羧酸盐的开发中也可以找到相似的例子。较早发现了具有良好阻垢作用的聚丙烯酸,以后又从类似的结构中发现了聚马来酸,在某些情况下它具有更好的阻垢作用。更进一步改变聚羧酸的结构,利用马来酸的反式异构体富马酸(反丁烯二酸)与丙烯磺酸钠共聚,这就使所得到的共聚物不仅具有磺酸钠基团SO3Na,而且羧基也并不完全
22、在分子的一侧。这种高分子共聚物据报道兼具阻垢和缓蚀双重作用。1.4.7多功能水处理化学品的研究开发具有缓蚀、阻垢和杀菌三种性能中的两种或全部性能的新型水处理化学品一直是水处理化学品研究工作者的努力方向。事实上已经使用的水处理化学品中就有不少这种情况,如水解聚马来酸酐就是一种。又例如季铵盐也兼具缓蚀和杀菌的作用。有机磷酸盐也兼有缓蚀与阻垢的性能。有人进一步把以上两类化合物的结构结合起来,探索它们是否具有更多样化的性能。如将EDTMP的结构变成高分子的季铵盐形式。如:这个化合物既具有原来EDTMP的多元膦酸形式,又具有季铵盐的结构,是高分子化合物,因此原设计者预计其可能具有缓蚀、阻垢和杀菌的特性。
23、据报道,这些化合物的确兼具缓蚀、阻垢和对某些细菌的抑制杀灭作用。绿色水处理化学品的发展无磷、非氮并具有良好生物降解性能的合成高分子水处理剂聚天冬氨酸和聚环氧琥珀酸是国际公认的两种绿色水处理剂。美国Nalco公司开发的一种非磷非铬的全有机系水处理药剂(代号为8365),经过应用试验确认其缓蚀、阻垢效果极佳,并且具有无毒、无环境污染的特点,可以消除污水排放的后顾之忧。另一类绿色水处理化学品为天然产物及其改性水处理化学品,例如:天然改性壳聚糖、改性淀粉、改性单宁、改性瓜儿胶等。美国水处理市场总销售额保持在32 1亿美元,其中专用水处理化学品约占84%,合27亿美元。锅炉系统专用化学品(包括缓蚀剂、阻
24、垢剂和消泡剂)1995年销售额为5 6亿美元,约增长5%(含2 5%的通货膨胀率);冷却水系统专用化学品(包括阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂和分散剂)1995年销售额为7 6亿美元,也增长了5%。美国最大的水处理化学品市场在工业,1995年约占20亿美元,商业和公共机构占4 7亿美元,市政占1 6亿美元,预计2000年前美国水处理化学品市场将以年均3%5%的速度增长。美国专用水处理化学品消耗额见表1。 表1 美国专用水处理化学品消耗额（以百万美元计）产品名称消耗额/106198919931997专用产品活性炭586682离子交换树脂8097121有机聚合物248293369配方产品缓蚀剂5007008
25、51阻垢剂400475513杀虫剂100120135燃烧助剂607078总计144618212149 注：用于处理燃烧气洗涤器，表中数据不包括明矾、铁盐和氧化剂。美国、北美洲和欧洲的水处理市场已趋饱和,为寻求发展,大水处理公司正将目光转向拉丁美洲、亚太和非洲等国外市场。很多美国公司在国外都设有分支机构或代表处。拉丁美洲水处理化学品市场年增长速度高于12%,一些亚太国家的年增长速度则高达30%,远超过美国3%5%、欧洲5%7%的增长率。中国、马来西亚、新加坡、韩国、泰国、巴西、墨西哥、智利、阿根廷等国家都是很有希望的市场。Nalco公司在拉丁美洲的市场销售额约为60007000万美元,占整个拉丁
26、美洲水处理市场的2/3。1996年上半年Nalco公司在该地区的市场销售额增长了17%。Betz收购Dearbon之后,国外市场占有率已由28%增至44%。为增强自身在亚洲的竞争力, BetzDearbon还收购了台湾的Peitz公司。Calgon公司约25%的销售额来自北美洲以外的市场。Drew工业也买下了其澳大利亚和新西兰合资伙伴的全部股份,充分利用了这两个地区的工业增长。预计我国水处理化学品市场也将面临外商的激烈竞争和挑战,对此我们必须有所准备。1.5 重金属废水的来源和危害1.5.1重金属废水来源重金属废水来源于电镀、采矿、化工等行业。主要来自矿山坑内排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水
27、、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀废水等。这些废水的重金属离子的种类、含量及其存在形态随着不同的生产行业而存在差异,变化很大。近几年,随着电镀工业的不断发展,尤其是点多面广的乡镇电镀企业的发展,使电镀公害日益表面化。电镀行业产生废水造成的污染严重,1994年被我国政府列为25种限制发展的行业之一。因此,电镀界在不断开拓新工艺的同时,都在致力于电镀废水的治理技术的应用研究,电镀废水成为具有代表性的难处理的工业废水之一。主要由于废水中含有大量的重金属离子,这与它的行业性质有关。直接排入受纳水体不仅污染环境,也浪费了大量有价金属,电镀废水的有效治理再国内外引起广泛重视。1.5.2重
28、金属废水危害在环境保护中,重金属一般是指Hg,cd,Pd,cr和类金属As等生物毒性显著的元素,也指具有一定毒性的一般重金属,如zn,cu,C。,Ni,Sn等元素。重金属在水中的一般以离子形式存在,对水体、土壤环境造成很大的危害。下面结合本课题研究情况,主要简要介绍铬、铜和铅的主要危害。铜对人体造血、细胞生长、某些酶的活动及内分泌腺功能均有影响,如摄入过量的铜,就会刺激消化系统,引起腹痛、呕吐。铜对低等生物和农作物毒性较大,其浓度达0.1mgL-1,0.2mgL-1,即可使鱼类致死,与锌共存时毒性可以增加,对贝壳类水生物毒性更大,一般水产用水要求铜的浓度在0.01mgL-1以下。铜对水体自净作
29、用有较严重的影响,浓度为0.1mgL-1时,会使水的生化耗氧过程明显受到抑制。Cr3+在人体中不容易被消化吸收,在皮肤表层与蛋白质结合,过量的Cr3+易积存在肺泡中,引起肺癌,进入血液中会引起肝和肾的功能障碍。Cr6+有很大的刺激和腐蚀性,可引起胃溃疡、喉炎和肠炎。在动物的肺内存量很多时,对肺有一定的损害。Cr6+对人的皮肤有刺激作用,可导致皮肤过敏症状,接触铬酸盐、铬酸雾的部位可出现皮炎,呼吸系统也会引起隔膜穿孔,咽喉炎和肺炎等症状。流行病学研究表明: Cr6+化合物是常见的致癌物质,吸入到血液中夺取部分的O2,使血红蛋白变成高铁血红蛋白,可造成红细胞的携气机能障碍,发生窒息。Hemlam研
30、究了Cr6+的毒性,讨论了Cr6+浓度对红细胞的携气机能的影响,相比而言, Cr6+对人类产生的毒性远远大于Cr3+产生的毒性。所有含铅的化学品和化合物都被认为是累积性毒物。人体中摄入大量铅后,主要效应与4个组织系统相关:血液、神经、肠胃和肾。急性铅中毒通常表现为肠胃效应。在剧烈的爆发性腹痛后,出现厌食、消化不良和便秘。慢性铅中毒可引起慢性脑综合症,具有呕吐、嗜睡、昏迷、运动失调、活动过度等视野神经病学症状。大量摄入铅后还会导致不育、流产、死婴、新生婴儿的死亡。此外,其它的各类重金属元素如砷、金、锌等也都对环境和人体造成严重的危害。重金属酸洗废水影响鱼类和水生物生长,妨碍渔业生产。据资料报道,
31、江苏某厂每年向附近水库排放酸洗电镀废水47000余吨,造成鱼产量从巧万斤降至2万斤左右。昆明市每天排放铬酸40多吨,滇池水体常出现死鱼,珍贵鱼种如:金线鱼、桂花鱼及海菜花己趋绝迹28。重金属废水排入土壤,植物体内重金属逐步积累,叶片会退绿发黄。植物生长发育受阻甚至死亡。造成农业、林业减产,1974年,遭到北京某厂排放的电镀废水污染的水体污灌农田,造成3000亩小麦死亡。1.5.3重金属废水污染的特点重金属随废水排出时,既使浓度很低时,也可能造成危害。重金属废水具有如下特点:(l)在天然水体中只要有微量重金属,即可产生毒性反应,且毒性具有长期持续性。重金属产生毒性的范围大约在1.010mgL-1
32、之间,毒性较强的重金属如汞、镉等毒性浓度范围在0.001一0.1mgL-1。水体中某些重金属可在微生物作用下,转化为毒性更强的有机化合物。例如,无机汞在天然水体中可被微生物转化为毒性更强的甲基汞。(2)生物可大量富集重金属,通过食物链,危害人类。生物从环境中摄取重金属,并经体内或某些器官中高度富集,其富集倍数可达成千上万,水生动植物、陆生农作物都有这种现象,然后通过生物链进入人体,在某些器官中积蓄起来构成慢性中毒, 严重危害人体健康。(3)重金属不能被生物降解,只能改变其化合价和化合物种类。天然水体中OH-1,C1-1,SO2-,NH3+、有机酸、氨基酸、腐植酸等,都可以同重金属生成各种络合物
33、或鳌合物,使重金属在水中的浓度增大,也可以使沉入水底的重金属又释放出来。有关国家都制定的重金属废水排放标准。1.5.4重金属废水处理方法目前重金属废水的治理技术有:化学法:化学沉淀法、氧化一还原法(置换法)、铁氧体法;气浮法;蒸发浓缩法;吸附法:活性炭吸附法、腐植酸类吸附法、粘土(斜发沸石)吸附法;离子交换法;电解法:膜分离法:电渗析、反渗透、液膜法;生物法以及多元综合防治技术。现分别简单介绍如下:(1)蒸发浓缩法此工艺能耗大,操作费用高,杂质干扰资源回收问题还待研究。一般将其作为其它方法的辅助处理手段。(2)化学法化学法的缺点是,要不断消耗化工材料,达不到深度处理,处理效率低,一般因沉淀而产
34、生污泥,易造成二次污染,排出的水回用困难,占地面积较大。(3)离子交换法离子交换法不足之处在于:一是投资大,一般占地面积较大,技术掌握较难,废水处理物浓度不宜太高,存在再生洗脱液的处理问题。(4)电解法电解法在处理含氰、含铬、含镐、含铜等电镀废水中获得了应用。由于电解法要消耗较多的电能以及受到许多因素的限制,因此发展并不快。(5)膜分离方法膜分离方法主要包括电渗析法、反渗透法和液膜法。电渗析法预处理要求多,耗电量大;膜的质量尚待提高,限制了其在工业上的应用。反渗透法浓缩比有限;并且膜的质量问题还有待提高。液膜法研究和应用仍停留在实验室研究阶段,要使液膜法实现工业化还需继续探索,推出成套设备,并
35、要有符合工厂使用的工艺过程的控制方法。(6)活性炭法活性炭法利用了活性炭的物理吸附、化学吸附及氧化还原等作用,以除去废水中的有害物质。目前活性炭法多用于处理含铬废水和含氰废水。该法工艺简单,装备制造便宜;适用范围广能除去大多数重金属、有机物和生物分子。具有投资少,占地面积小,上马快,处理效果好的特点。制约活性炭吸附法应用的主要因素在于成本较高,活性炭再生效率低。活性炭再生方法通常有:热解、氧化、超临界、酸碱等。在热再生过程中,炭的孔隙结构和表面化学性质都有不同程度的改变。缺点是炭耗大,一般为5%20%,每天再生炭量多于250kg一500地时,热再生才会具有经济性。此外,再生炭的机械强度下降,粗
36、孔数量增加,表面积减少,再生设备复杂,基建和运行费用高,能源利用率低,不易小型化;汽化有机物往往在再生炉内燃烧不充分,为防止空气污染,需设后燃烧设备及洗气塔。通常,热解、氧化、超临界等方法适用于对吸附有机物的活性炭的再生,而酸碱处理适合于吸附金属离子的活性炭的再生。目前我国重金属废水的处理方法,应用较多的还是化学法、离子交换法、电解法,但是存在的问题也逐步突现出来,随着新型活性炭制备工艺的研发与应用,活性炭制备成本逐渐下降,劳动强度下降,工作环境提高,活性炭再生效率得到提高,该方法的优越性越来越显现出来。1.6 活性炭纤维概述1.6.1活性炭纤维及其应用研究进展目前,对ACF的研究日趋兴起,A
37、CF氧化还原特性机理、动力学及其吸附性能的关系已经形成较为成熟的理论体系。ACF吸附动力学穿透曲线的研究等将使ACF的理论研究更为完善,大大拓宽了ACF的应用领域。在今后一段时期内,从ACF的制造原材料出发,改善工艺条件,降低生产成本,改进ACF的生产工艺和设备,改善ACF的表面结构和性能,完善对普通有机蒸气、水溶液中污染物的吸附处理的工业应用工艺,研究新的潜在功能,开发其新的应用领域等将是今后研究的发展趋势。此外,也可以与其他材料复合,充分发挥复合材料的优越性,提高性价比,进一步拓宽其应用领域。ACF是非常有发展前途的高效吸附材料,无论污染物质是微量级还是高浓度,都可采用ACF进行吸附处理,
38、达到满意效果,在很多领域中可能取代活性碳。当然,在ACF开发和应用中,如何克服ACF成本较高,如何发挥ACF的优异性能,饮用水经ACF处理后毒理学方面有什么变化,解吸脱附还有待进一步确定等方面有待深入研究。活性炭纤维(activatecarbonfiber,ACF),是20世纪70年代初发展起来的一种新型吸附功能材料,它以木质素、纤维素、酚醛纤维、聚丙烯纤维、沥青纤维等为原料,经炭化和活化制得。与粒状、粉状活性炭相比较,ACF具有特有的微孔结构,更高的外表面积和比表面积以及多种官能团,平均细孔直径也更小,通过物理吸附、化学吸附以及物理化学吸附等方式在废水、废气处理、溶剂回收、水净化等领域得到了
39、广泛应用。1.6.2ACF的应用1ACF用于水净化ACF对水净化有特殊功能,例如,对水质混浊有明显的澄清作用,可以除去水中的异臭、异味;对水中含高铁、高锰等无机物净化效果明显;对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达90%以上,对细菌有极好的过滤效果,如大肠杆菌去除率达98%。有人用ACF进行了排除地下水中氯化物和饮用水源地下水中三氯甲烷前驱物的研究。2用于废水处理(1) 有机化工废水处理: 中山大学研制生产的ACF用于处理含酚工业废水已通过中试技术鉴定,1985年获国家专利。用ACF处理含酚工业废水,出水苯酚质量浓度可下降至0.5/以下,这是目前已知的其他吸附剂所难以达到的。ACF用于模拟甲苯废
40、水的处理,结果表明,ACF对甲苯吸附容易,吸附容量大。甲苯平衡质量浓度在74162.3/范围内,吸附容量可达0.540.67/。吸附饱和的用100蒸汽再生,效果显著,经多次再生重复使用,吸附能力无明显变化。(2) PCBs废水处理5:含PCBs1027/的废水经单级ACF吸附,出水达国家排放标准,单柱稳定运行周期7080,ACF吸附容量7/。(3) 制药厂高浓度废水处理6:某制药厂COD达10000/的废水采用ACF三级吸附,净化效率达86%以上,脱附时用150350空气及蒸汽混合脱附,ACF性能不变,ACF静态吸附容量大于0.5/。本实验室使用的表面改性的ACF处理某制药厂含硝基苯的废水,处
41、理效果好,出水能够达到国家一级排放标准。加热再生后吸附性能不会降低,ACF静态吸附容量大于0.2/。(4)炼油厂环烷酸综合废水处理7:该废水COD达5000/,挥发酚1600/,采用一级ACF吸附, COD去除率达96.5%以上,挥发酚0.5/,色度100%去除,脱附时采用200400热空气及过热蒸汽混合脱附,ACF静态吸附容量达0.650.72/。(5) 印染、造纸黑液废水的处理:ACF催化电极在6.08.0时,以1525电压直接处理各类染料液及较高浓度的实际混合残液,脱色率达95%100%,染料液COD Cr去除率为65%85%。处理过程中基本保持不变。ACF电极法对造纸黑液进行处理,稳定
42、在7左右,电解一定时间,色度去除率达94%。黑液经酸析及聚铝絮凝预处理后进行ACF电极处理,可进一步提高CODCr及色度去除率,若采用“酸化+电解(45min)+Fenton试剂(60min)”的综合治理方案,上述去除率分别达94.20%和99.60%,出水近乎清澈透明。(6) 染料废水的处理:ACF可以有效除去水中某些有机染料分子如亚甲基蓝、结晶紫、臭酚蓝等,其吸附量大,去除率高,有的几乎可达100%的去除率。不同的染料分子,ACF吸附速率差别很大,为了有效去除水中染料,可根据不同吸附质特性,控制不同吸附工艺,以达到最大的去除效果。3在其他方面的应用(1)ACF用于空气净化:ACF对3,4-
43、苯骈芘有特殊的吸附能力,对烟碱的吸附率也很高,所以可以利用ACF来净化空气。此外,2通过保持湿状态的ACF时,被迅速氧化成硫酸,经过45后2几乎100%去除;而采用改性的PAN基ACF吸附2时发现,其吸附容量为改性前的2倍以上,为活性炭的10倍以上,且吸附速率大,在600惰性氛围中吸附饱和的ACF可获再生。(2)用于溶剂回收:ACF吸附容量大而且脱附速度快,可在回收活性溶剂方面得到应用12。这是因为其吸、脱附速度快,周期短,在吸附过程中很少发生分解或聚合。而且脱附温度低,容易脱附而且彻底,残留在吸附床中的被吸附物质少,减少了结焦或积炭的概率。因此用ACF回收有机溶剂的质量要比用活性炭高,而解吸
44、操作简单省时。如在回收质量分数为200010-6的含酮混合溶剂中,回收率达98%;在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的应用中,回收率均高于97%。(3)用作氧化还原剂:氧化还原功能是ACF的基本特征之一。曾汉民等对此开展了大量的研究工作,取得了一系列重要成果。ACF可以作还原剂,也可成为氧化剂。与普通还原剂不同,ACF对不同的氧化金属离子具有不同的氧化还原容量。与弱氧化性的金属离子反应后的ACF还可进一步与强氧化性离子进行氧化还原反应。由于ACF对3+、+、4+等贵金属离子具有较好的氧化还原吸附性能,能够将高价态金属离子还原成低价态,以至单质金属,而且所得单质金属呈纳米状态负载于ACF上。因此在贵
45、金属的回收、分离及其再利用等领域得到广泛应用。此外,ACF还可用于制作防化用品,用于人造肾脏、肝脏的吸附剂及生物固定酶,用于制造高性能的电容和电池的电极,还可以用于水果蔬菜保鲜。1.7 研究目的意义及内容1.7.1研究的目的和意义目前活性炭在环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化中得到了很好的应用。近20年来,由于活性炭的再生问题得到了较为满意的解决,同时,活性炭的制造成本也有了降低,活性炭技术在国内外得到逐渐推广使用。随着新的活性炭生产方法的诞生和应用,涌现出了许多新型活性炭,例如昆明理工大学的彭金辉等采用微波加热制备了多种类型的活性炭,该生产工艺具有节能、快速、加热易控制等优点
46、。重金属废水对环境和人体健康造成巨大的威胁,而活性炭吸附处理重金属废水工艺在工业上已得到了应用。为了使微波加热法生产的活性炭在环境污染治理工程中得到更好的应用,有必要对其在重金属废水处理中的吸附性能和吸附行为做出定量和定性分析。相比较于其他吸附剂活性炭成本较高,因此,从工业应用的角度出发,为节约成本需对其进行再生研究。1.7.2研究内容 本研究将采用微波加热技术,分别采用水蒸气为活化剂,以及ZnCl2为活化剂,烟杆为原料制备活性炭,并应用于处理含银、含铜重金属离子和含甲苯、苯酚等有机物的废水。对其吸附热力学和吸附机理方面的问题进行研究,对该工艺吸附过程传质速度和传质机理等吸附动力学方面特性,并
47、研究该工艺的实用性和工艺条件。从实际应用出发,还对活性炭的再生方法进行研究。2 活性碳纤维活性碳纤维（ACF）是以有机纤维为前驱体通过不同途径而制得的一种新型功能纤维，作为继粉状活性炭和粒状活性炭之后的第三代产品的新型功能吸附材料具有成型性好、耐酸与碱及导电性与化学稳定性好等特点，其不仅表面积大、孔径适中、分布均匀及吸附速度快，而且具有不同的形态。活性碳纤维在催化、吸附方面具有独特的性能特征，其本身所具有的特征与孔结构、孔分布、微空表面积以及表面化学等使之具有极大的开发价值。目前纳米级ACF已广泛应用在化学工业、环境保护、辐射防护、电子工业等方面，由于对环境保护具有重要意义，已越来受到人们的关注，其应用前景相当广阔。基本性能 ACF是一种表面纳米粒子，具有不规则的结构与纳米空间混合的体系。其纤维直径细，与被吸附的接触面积大，且可以均匀接触与吸附，使吸附材料材料得以充分利用，效率高，且具有纤维毡、布与纸等各种纤细的形态。孔隙直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，且本身的外表面积表内表面高出两个数量级。2.1 结构特征ACF具微孔形结构，其微孔形结构，其微孔半径在2nm以下，其孔径分布窄，特殊的细孔呈单分散分开。有