污水处理中最有效的除氟技术——活性炭

1.什么是活性炭？

活性炭（activated Carbon）是一种黑色多孔的固体炭质。其主要成分为碳，并含有少量氧、氢、硫、氮、氯等元素，在结构上是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，堆积密度低，比表面积大具有很强的吸附性能，是用途极广的一种工业吸附剂。普通活性炭的比表面积在500～1700m2/g间。活性炭是一种很细小的炭粒，有很大的表面积，而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触。当这些气体（杂质）碰到毛细管被吸附，起净化作用。

1.PFCs——有机污染物界的“新明星”

全氟化合物(PFCs)是一种新兴的持久性有机污染物(POPs)，具有很强的化学稳定性，同时具有生物蓄积性，会引起毒性效应。新版《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）中，规定了全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的限量要求分别不得超过80ng/L和40ng/L。图源：绿色和平由于PFCs具有防水特性，我们生活中也到处都能找到它的踪影。从不粘锅、爆米花包装袋，到个人护理产品、电子产品等，PFCs已经无处不在。图源：绿色和平现有研究表明，利用传统的生物处理技术很难降解水中的PFCs，而电化学去除技术、活性炭和树脂吸附、高级氧化、纳滤和反渗透等技术对PFCs都具有一定的去除效果。其中，吸附是去除PFCs最有效的方法之一，已有活性炭、树脂、壳聚糖、水滑石、氧化铝等高效吸附剂的报道。

2.活性炭——吸附界的“性价比之王”

活性炭具有原料来源广泛、成本低、效率高等一系列优点，显示出独特的处理优势，通过合适的方法调节活性炭的孔结构，可以提高活性炭对PFCs的吸附效果。活性炭微观结构（图源：果壳活性炭）活性炭的孔隙结构和表面化学性质对其吸附性能具有很大的影响，通过一定的调控手段得到适合目标水体特征的活性炭是当前活性炭研发的目标和热点。活性炭的改性方法很多，除了物理改性的方法外，还有氧化改性、还原改性、负载金属改性、微波改性、等离子体改性及电化学改性等。

3.当“明星”遇到“王者”，会产生怎样的火花？

将有机物负载到活性炭表面的方式可以改变活性炭对PFCs的吸附效果。（1）、有研究人员通过投加季铵盐化合物(QAE)对以椰壳和木质为原料的两种活性炭进行改性处理，并利用柱试验研究改性炭对PFOA的吸附效果。结果表明，负载QAE后的改性炭对PFOA的吸附能力均高于未改性活性炭，QAE投加量从2.3g增加到15.8 g的过程中，PFOA的吸附效果逐渐增强。表征发现，改性活性炭除表面官能团和孔结构发生变化外，改性炭表面N⁺浓度、QAE的负载量、炭样品的正电荷随QAE投加量的提高不断增加，这都有利于改性炭吸附PFOA。（2）、为避免改性时负载的长烷基碳链阻碍污染物在活性炭上的吸附，研究人员利用吡咯和氨气为氮源将带有正电的季氮官能团负载到活性炭表面。实验结果表明，制备得到的两种改性活性炭对水中全氟乙酸盐(TFA)的吸附能力显著增强，在最优化条件下制备的改性炭对TFA单分子层吸附量均达到32 mg/g以上，这与活性炭表面正电荷数量增加等因素有关。通过表征也发现，改性后的活性炭离子交换能力显著升高，这都有利于活性炭对溶液中TFA的吸附。活性炭对PFCs吸附的最终结果是改性引起的炭表面物理化学性质变化的所有因素的综合作用。（3）、国外研究人员利用HCl、NaOH、热活化过硫酸盐(PS)、H₂O₂/Fe对煤质和椰壳活性炭进行改性。研究发现，经HCl处理后的改性炭正电荷密度增加，对PFOA和PFHxS的吸附程度增加，而其他3种改性炭的吸附程度均有所降低，表征发现这可能与被处理后活性炭的比表面积、孔体积和孔径都有所减小有关。此外，经H₂O₂/Fe和PS处理的改性炭表面产生负电荷，引入了更多含氧官能团，导致零点电位的下降、静电斥力和炭表面的极性增加，这都在一定程度上影响了吸附效果。（4）、研究人员通过高温和氨气处理改变活性炭表面化学性质。改性炭对PFOS和PFOA的Freundlich吸附等温线和吸附分配系数的比较表明，氨气处理比高温处理能更有效地提高炭表面的碱度，从而提高活性炭吸附PFOA和PFOS的亲和力。当然，活性炭通过同样的表面化学性质改性来增强PFOS和PFOA吸附的效果因活性炭的原料而异，在此研究中，木质炭改性后的吸附效果优于煤质炭。因此，选择合适孔径和表面化学特性的活性炭对PFCs的吸附效果具有关键性的影响，在生产或者使用活性炭时，可以将其调节至合适的范围内，从而提高处理效果。

4.总结

总体而言，活性炭技术是去除PFCs的最有效方法之一，研究也较为完善。但是也存在理论研究与实际应用脱节的情况，针对实际水体条件的研究较少。且使用后的PAC回收难度大，活性炭滤池换炭产生的废旧活性炭也往往不能重复利用，增加了应用单位的处理成本。因此，未来如何合理且环保地做好活性炭的回收、再生处理工作，是我们需要思考的问题，也是未来发展的一个可能的方向。