摘要：在大量资料的基础上介绍了活性炭在水处理中的应用、吸附机理、吸附方法以及活性炭水处理法在中国的应用前景，指出今后对活性炭的吸附机理应深入进行研究。
0 引言
现代工业和其它产业的发展，使环境污染越来越严重，其中水质污染是较大的污染之一。由于水资源的缺乏人们已对水资源的利用及其水质提出了越来越高的要求。活性炭作为一种良好的吸附剂，因具有巨大的表面积和化学稳定性而使其在世界各国的环保领域大显身手，其中较重要的应用是在水处理方面。在诸多方法中，活性炭迄今为止仍是经济和有效的方法。活性炭吸附作为一个操作单元在废水处理的流程中可以是物化处理的一部分，也可用作三级处理或深度处理。总之，活性炭水处理技术在处理各种废水特别是水的深度净化中越来越受到人们的重视。
1 活性炭的吸附机理
目前，对于活性炭吸附液相的吸附机理的研究大部分还是停留在活性炭对有机液相的吸附上。国内外专家学者普遍认为，就活性炭本身而言，其吸附性能主要是活性炭孔隙的物理结构和孔表面的化学结构。对气相吸附活性炭的孔形态（表面孔和孔径分布）是主要参数；而液相吸附炭表面的化学特性对吸附性能则产生显著影响。活性炭是由类似石墨的碳微晶按“螺层形结构”排列，由微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构，通过活化反应使微孔扩大了许多大小不同的孔隙，孔隙表面上部分被烧掉，结构出现不完整加之灰分和其它杂原子的存在使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价。使氧和其它杂原子吸着于这些缺陷上，因而使活性炭产生各种各样的吸附特性。对活性炭产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团和含氮官能团。
安部等人在测定了许多种有代表性的有机化合物的吸附数据，同时利用其他研究者已发表的一些数据的基础上，计算了吸附过程中焓的变化，并与同化合物溶解时焓的变化相比较结果指出：吸附时有机化合物分子的烃部从溶液中析出，但官能基部相当程度上仍处在水台状态，活性炭在稀溶液中对有机化台物的吸附性，主要取决于吸附质分子的大小和官能基的多少，可以根据该物质的分子折射值和官能基的数目或者根据构成分子的种类和原子数来推算吸附量。也有人推测，活性炭对无机重金属离子的吸附，主要是依靠活性炭表面官能团和金属离子之间的静电吸引而进行的。但很显然，目前人们对吸附机理的认识仍处于非常粗浅的阶段，对于孔隙物理结构形成的定量描述和化学结构形成的机理，以及对有机物，无机物吸附的本质均有待给予深入研究。
2 活性炭水处理的应用与发展
2.1 活性炭在水处理中的应用
迄今为止，可查到的较早使用炭作水处理的记载源自曼特尔（Mantell）所译的公元前约200年的梵语原文：“在阳光下，用铜制容器中保存水并经炭过滤。”此法可以认为早期广为应用的处理技术之一。铜浸碳微动力学作用处理工艺。18世纪英国普经用过内部炭化的木质容器来盛水。自1900年奥斯特雷杰科发明制造活性炭开始，1927年被认为是活性炭应用史上特别重要的时期。20世纪30年代初再水的净化实践中就已包括了从焦化厂的废水中吸附苯酚的过程。后来由于粒状活性炭的出现，活性炭在水处理方面的用量逐年增加。世界上利用活性炭处理水的主要国家有美国、德国、英国瑞典及日本。日本活性炭专家北川睦夫20世纪80年代末，就估计美国和亚欧用于水处理方面的活性炭量占液相吸附用炭量的50%左右，日本也占40%左右。从20世纪80年代后半期到20世纪90年代，活性炭在自来水方面主要用于腥嗅ABS苯酚的去除，同时为改善自来水水质将活性炭利用于家庭用净水器去除细菌污染也已得到普及。
由于各方面的因素，我国在20世纪60年代才开始应用活性炭处理工业废水。1965年沈阳自来水公司，1975年甘肃白银有色金属公司，1976年湖南长岭炼油厂，1986年大庆污水处理厂相继建成了大型的活性炭吸附过滤装置。此外，兰州炼油厂日处理工业废水12000t活性炭I业装置也在进行。但从总体上看，中国水处理还处于较低水平，造成这种现象的原因一是中国饮用水的标准不高，二是对排水的要求更低，“以罚代治”的措施及体制的上的原因几乎使本已较低的排放标准，处于名存实亡的尴尬境地。但活性炭水处理技术，随着人们生活水平和环保意识的提高及国家加入WTO必将受到更大的关注。
2.2 活性炭水处理的去除对象及其应用范围
活性炭在水处理中主要用于：
(1)污水源的净化
利用活性炭吸附水中有机物、ss、氮颜色除味除臭等。由于活性炭深度净化法能有效地改善水质。国内外在新建地面给水厂时大都采用此法。
(2)有机工业废水处理
由于活性炭对水中的COD、BOD等有机物具有突出的去除能力。对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果，而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理，焦化废水处理及其它有机废水处理中。
(3)无机工业废水处理
某些吸附活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力。如颗粒状活性炭对于Ag+、Pd2+、Cd2+、CO4-等离子的吸附去除率可达85%以上。对其它金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等均具有良好的吸附能力。另外，活性炭对水中的Cl2、Br2、I2的吸附能力也很强。
2.3 活性炭水处理方法
近几十年来，在水处理技术的发展过程中，各国在探索活性炭与其它方法结台使用时发现，在改善水质方面，联合法处理效果显著，弥补了活性炭由于再生频繁致使废水处理成本较高的问题，其处理方法大致有以下几种：
(1)粉末活性炭处理（又叫生物-物理处理法，投料曝气法或粉末曝气气法）
一般认为，该法是在吸附和微生物氧化分解的协同作用下，去除污染物的活性炭的大量微孔吸附了有机物和废水中的氧，为微生物的群体生长繁殖提供了高浓度的营养源，而微生物代谢过程中产生的酶和辅酶又被吸附和富集在活性炭微孔中加之炭上微生物和有机物接触时间较长，使难以降解的有机物也有可能经生物氧化而分解，粉末活性炭处理法一般包括三个步骤：1)剧烈混合，使炭迅速分布在污水中；2)接触吸附和氧化使炭悬浮在污水中进行悬吸附和氧化；3)液-固分离将炭从污水中分离出来然后进行再生。
此法具有以下优点：稳定，处理效果好；提高了微生物对有机物和重金属的抗性；活性炭能吸附表面活性物质解决了曝气池中的气泡问题；产生了有凝聚力的炭体和微生物形成了坚实和稠密的污泥，改善了活性污泥法的操作条件；能用于处理成分复杂，浓度和水量多变的废水，成本低。
(2)臭氧氧化-活性炭处理法
该法是将臭氧氧化，活性炭处理二者结合起来使用的一种方法，它使得COD、BOD更易被活性炭吸附，对染料废水的消毒、除臭，及脱色效果显著且延长了活性炭的使用寿命。
(3)活性炭吸附-生物膜处理法
活性炭吸附，生物膜处理法是利用活性炭对有机物的富集作用和对水中溶解氧的选择吸附性，在温度及营养物适宜的条件下，使活性炭表面上生长好气微生物，将活性炭的吸附作用和微生物的分解氧化作用协同起来。采用此法，不仅可以提高废水的处理效果，而且能够较大幅度的延长活性炭的使用寿命，同时还可以降低处理成本，简化运转操作管理，这是一种新近发展起来的污水处理技术。
在此三种方法中，北京第三毛线厂普采用活性炭生物膜法氧化处理染料废水，美国新泽西州的罗卡威城1982年采用曝气和粒状活性炭相结合的流程，有效的去除了地下水中的有机化合物。美国杜邦（DUPON）公司使用PACT法代替颗粒状活性炭填充床处理法该法，将粉状活性炭处理和生物处理结合起来使用，被列为美国工业废水处理新技术中几个很有前途的废水处理新技术之一。另外，在美国Cyanmid公司的处理设施中，三级处理废水时使用颗粒活性炭（GAC）。据资料报道：美国环保署（USEPA）的饮用水标准的64项有机污染物指标中，有51项将粒状活性炭（GAC）列为有效技术。日本利用臭氧-活性炭配台法处理含硫废水，法国利用活性炭-臭氧法净化饮用水。
2.4 活性炭的再生
活性炭的广泛应用基于它的再生性能，所谓再生，就是使失去吸附能力的废活性炭的性质得到恢复，以便重新用于操作过程。用于水处理的活性炭，经过一段时间的吸附后，由于杂质堵塞了活性炭的孔隙，致使吸附能力逐渐下降以至完全丧失，终成为“饱和炭”。由于活性炭的价格一般较昂贵，所以吸附后的活性炭如不经处理就废弃必将造成离很大的资源浪费，同时成为新的污染源。因此，从环保角度和处理系统经济方面考虑，对吸附后的“饱和炭”进行“再生”具有重要意义。然而，由于活性炭的非选择性吸附，使得吸附和沉积在其表面上的杂质成分多种多样，带来再生技术上的困难。对此往往根据主要吸附质的性质，吸附剂和吸附质之间的吸附行为及工艺上是否方便操作来选择适当的再生方法。目前国内外采用的再生方法有：1)加热再生法；2)药剂再生法；3)生物再生法；4)化学再生法；5)湿式氧化再生法等。
3 结论
目前，环保问题已成为全球性问题。世界各国特别是发达国家，十分重视环境污染的防治工作。我国处于迅速发展的时期，环境污染的防治也显得日益重要。因此在环保意识逐渐加强的情况下，人们对排放废水和循环水的质量要求也越来越严格。活性炭吸附作为一种较深度净化水的方法，因具有处理效果显著。且设备简单操作方便，活性炭可以再生等优点，将使其在水处理中将会有更为重要的应用价值和更为广泛的应用范围。然而，至目前为止，对活性炭处理废水时对无机物吸附机理的研究还很少，对有机物的吸附机理也不完善，应进一步研究。由此我们可以预言，随着新技术和新工艺的发明和研究的发展，必将推动对活性炭吸附机理的探讨以及活性炭品种、工艺、设备、测试等各方面的发展。