改性活性炭材料对水中天然有机物的吸附性能研究
前言
由于我国的经济迅猛增长，人口数量不断增多，饮用水资源短缺，需求量增加，但人类大量浪费，没有意识到淡水的重要性，导致水资源短缺现象更加的严重。我国是世界上人口最多的国家，随着人们生活的更加富裕，节约用水的意识越来越淡漠导致污水排放量大大增加。这一点，90年代以来特别明显。1999年①，我国城市生活污水排放总量首次超过了工业废水排放量，我们国家现已经由工业废水污染源为重点逐渐向生活废水为重点转变。就目前趋势来看，我国生活污水排放量的增加速度之快已经远远超出了我国可处理污水的能力。根据国家有关政策以及做出的相应方案要求，在2010年之前，水处理容量应达到50%。根据这个要求，我国生活废水急需研制出新的方案进行更加严格，更加经济且更为普遍适用的城市乡镇污水废水处理方案。
水污染主要是人类自身不遵循自然规则，随意排放所造成的，主要有生活污水，农业污水和工业污水三大类。
工业废水排放量大而且面积覆盖较广，成分错综复杂，有毒又不容易处理，处理后不彻底，因此是重要的污染来源，不容忽视。有关资料记载，污水的量逐年增加，工业污水的比重也越来越大。但污水排放量不止这些，还有许多乡镇企业排放的污水没有算在内，真实的数字难以估算。
动物的粪便，农药，化肥是造成污染的主要因素。在农业受到污染的水体中，含有丰富的机质、植物营养物还有病原微生物等等，而且农药、化肥的含量也是相当的高。我国的水土保持工作效率不高，造成水土严重流失，地表径流将土壤中的污染物带到河流和湖泊。由于过量营养元素的存在，水体呈现富营养化。危害的具体表现是浮游藻类和其他水生生物过度繁殖，溶氧量急剧下降，增加了水的浊度，降低了水体质量。在中国，目前还没有农业方面的相关检测工作，因此面对如此的污染现状，我国急需制定相应的法律法规来治理相应的污染。
生活污染主要来源于日常生活中各种洗衣粉，洗涤剂以及垃圾产生的污水、粪便，大多都是无机盐类，其中也含有氮、磷、硫较多，是典型的有机废水。
① 环保总局.2004年中国环境状况公报.环境保护,2005(6):3-9.
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1. 绪论
随着科学技术的日新月异，社会发展一日千里，在物质生活水平提高的同时却使环
境污染越来越严重。生态破坏，资源耗竭，环境污染，粮食短缺等世界性问题，日益突出。面对如此严峻的问题，各个国家虽然已经着手解决，但是由于意识的淡泊，受到的成效却是微不足道的。21世纪是个可持续发展的世纪，必然要求国家的发展综合考虑环境的承载力和可再生性。另外，由于环境问题日渐成为制约社会发展的重要因素，使得人们不得不思考如何解决好发展和环境的相容关系。因此,环保工作将成为未来的重要的领域和热点。治理水污染，大气污染，固体废弃物污染，成为世界各个国家竞相发展的重要领域。未来的世界，必是绿色的世界，环保的世界，可持续的世界。
1.1课题背景
20世纪以来，工业农业迅猛发展，乡村人口大量向城市迁移，城市人口负荷量剧增，大量生活废水不经处理或经处理不符合标准就直接排放，导致我国地表水地下水严重受到污染，生活污水中的有机物无机物也随之进入土壤中从而污染了地表水，从而可供城镇人口引用的自来水来源大大减少。有机物溶于水中给饮用水的净化增加了难度。提高我国乃至整个世界的饮用水标准是保证人类健康的重要手段，我国检测水质的手段不断增多，标准也在步步提升。
水中有机物在水处理中影响很大，它可以保护胶体，使胶体更加稳定，污水处理难度加大。不仅如此，有机物自身也难以被降解，至今未有较好的办法，常规方法是用氯消毒，但加氯后所产生的有机卤化物中有许多是致癌物，危害人类健康。
在非严重污染水体中，有机物的浓度并不是很高，但是水中可同化有机物质(assimilable organic compounds，AOC)会影响管网的稳定[1]，使细菌大量滋生，引起病毒传播；不仅如此，有的有机物具有生物富集性，会在人体内长期生长扎根，危害人体健康，甚至威胁生命安全。如果用氯消毒进行污水处理，有机物也会参与反应，生成致畸致癌致突变的副产物，例如许多卤代有机物等。
因此，去除水中有机物是我国乃至全世界所要研究的有关水污染治理方面的重大课题之一。
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1.2天然水中有机物处理方法简介及研究进展
混凝法、吸附法、膜滤法和氧化法是去除天然水体中有机物的常用方法。各种方法有各自的优缺点，相比而言，吸附法的优点突出。
1.2.1天然水中有机物特性及污染源
有机物习惯上分为天然有机物和人工有机物，其分类依据是来源的差别。动植物尸体腐烂之后被微生物分解，一部分转化为无机物，一部分转化为有机物，这就是天然有机物的来源。土壤中存在腐殖质和非腐殖质两大类。腐殖质又分为从土壤中渗出和由植物分解所生成的有机质：腐植酸和富里酸。非腐殖质本实验不做介绍，因此不详展开。人工合成的有机化合物多数是有毒的，例如农药化肥、或是工业污水不达标排放所带来的各种有机物。
下面简单介绍天然水体中所含的几种有机物：
1、天然水体中常见且易溶于水的有机酸[2]是单宁酸。在氯气消毒的饮用水中，单宁酸发生反应生成了各种卤代有机物，这些物质可以致畸致癌致突变。并且，单宁酸在各行各业中应用广泛，随着污水会流到江河湖海中去，进入自然水体的单宁酸大量消耗水中的溶解氧，是水中生物死亡，破坏生态平衡，使水质变差，影响视觉、嗅觉效果[3]。
2、苯酚和它的一系列衍生物属于芳香族有机物，也是废水中常见的一类有机物，它的毒性很高，会引起人体不适例如头晕、恶心等症状。苯酚难降解[4]，含酚废水通常通过炼油、是有化工、木材加工、煤气、炼焦等工业废水排出。
3、腐植酸[5]是动植物腐烂分解所产生的腐殖质的主要形态，通常呈现黑色或是深褐色。极易溶于水，显酸性，是应用水中有机碳的主要来源，如果饮用水中含有腐植酸会使饮用水变色不纯，口感不佳。腐植酸之所以威胁人类生命和健康是由于它具有三致作用。所以只有去除腐植酸才能保障饮用水的安全。
1.2.2吸附法
吸附处理技术[6]就是利用一些具有吸附性的材料放入水中去除水中污染物以达到净化水体的目的。实际生活应用中常用的吸附剂有活性氧化铝、活性炭、沸石、离子交换树脂、二氧化硅、硅藻土。但要数活性炭的应用范围最广，因为活性炭材料有很多的
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小孔，水中的有机物可以通过小孔被吸附到活性炭中，表面憎水，却对水中污染物有极强的吸附能力，可以有效的去除水中污染物，不仅吸收了污染物，还能吸收各种刺激性气味、去掉氯化有机物、水体的颜色、农药、以及人工合成有机物。
活性炭由于其具有很多的小孔而且表面积很大，从古至今就在医药、食品方面有广泛的应用。随着科学技术的发展，活性炭的优质性能不断被科研工作者们发现，以吸附剂和催化剂载体在工业、国防、环保、农业、能源等领域得到了更广泛的应用[7]。
空气及气体净化、气体分离、液体和溶液的脱色与净化及水处理等各个领域[8]中常用到活性炭，可见本世纪活性炭技术已经逐渐成熟。医学上推广的活性炭也取得了可观的成果。曾有一段时间天然气代替汽油在国外得到推广，虽然绿色无污染，但动力不足。活性炭被认为是最佳吸附剂[9]。Quinn和Macdonald[10]两人为了研究在固定的容积下尽可能存储较多的天然气。在1992年提出用经蒸馏水活化的PVDC炭和经CO2活化的CNS炭作为吸附剂[11]；随后他们又一同研制了用60%的活性炭和40%由Saran[12]橡胶合成所得的聚合物碳制成的炭材料作ANG的吸附剂[13]。成熟而经济的ANG装置的研究开发，或者是用于工业化的气体分离及净化的流程设计都需要了解吸附质压力及温度变化范围很大的情况下的吸附等温线及其他特性，如吸附热、多组分吸附平衡等行为做出确切的说明。Matrang等人[14]运用纯甲烷模型对活性炭表面天然气的吸附进行了数值模拟，研究结果表明：ANG的最大能量密度则是0.25，这个数字和CNG的0.29的能量密度已是十分相近，在假设汽油的能量密度是1的情况下。正是由于这些实际应用的需要推动了活性炭吸附理论研究的不断发展。
在现代的家庭中，尤其是刚装修过的房子，通常采用活性炭作为吸附剂，吸附空气中的甲醛、氨、苯、油烟、香烟等有害气体和各种气味。化学吸附和物理吸附都可以通过活性炭进行，净化空气。二者相结合。。芳香类化学物质可以用作催化剂、吸附剂、催化剂载体。其中的吸附效果很好，但是可以致癌。容易吸附空气中的有害有毒气体，使空气变得清新，吹出清爽的空气，保护人体健康，营造清净舒适的环境。
除了活性炭吸附还有活性氧化铝吸附、粘土吸附、沸石吸附等。
1.2.3氧化法
臭氧是一种强氧化剂，开始用臭氧做消毒剂，用于控制水的颜色和除臭，也可以吸附水中有机物，但是臭氧不能无限度的投放入水中，有一定的规定限度，所以不能将水
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中的全部有机物无机化。臭氧可以破坏化学键，使高分子化合物分解成许多分子量小的物质。饮用水经氯消毒后的“三致物质”，经臭氧预处理后，降低“三致物质”的浓度，但有时可能会导致副效应，这要视水质而定，因臭氧会与水中许多污染物反应产生副产物，如：醇、酮、醛。
光催化氧化的氧化能力超出了臭氧，能氧化除去水中有机污染物（包括细菌等），产物是水、CO2等无机物。据报道称利用TiO2能将污水中的有机卤素化合物几乎全部脱除，总有机碳量降低90%以上，同时大量减少盐分、重金属等污染物。光催化氧化较为突出的特点就是超强的氧化能力，对水中较难被氧化的多种氯化有机物都有很好的去除效果，可以去除氯化物中大量的氢，脱氢后的氯化物无毒可以安全饮用，提高水质。
1.2.4混凝法
网捕沉淀、吸附架桥、电性中和去除天然水中的胶体、悬浮物、固体颗粒等，而且去除率较高。但有机物分子质量很小，且溶解在水中，以上方法难以去除，效率极低，只有强化混凝可以提高去除效率。强化混凝是指在天然水体重加入过量混凝剂，调节pH值，这样可使水中有机物去除效率大大增加，有效去除消毒副产物的前体物(DBPFP)。
对不同的水体，有不同的最佳混凝剂。据文献报导[15]，对于天然有机物来说，用铁盐比用铝盐的去除效果要好的多；阳离子高分子絮凝剂可以单独当混凝剂用，但阴离子型和非离子型絮凝剂单独应用效果不佳，被用作助凝剂时，提高固液分离效果，可以大大提高TOC的去除率。混凝强化过程主要环节是：
(1)（Fe(OH)3或Al(OH)3）絮体的生成对天然有机物吸附有很大作用；
(2)此机理类似电性中和问题，通过反应有机物和混凝剂生成不溶于水的络合物。通过沉淀去除。
1.2.5膜滤法
膜滤法是新兴的提纯、浓缩、高效分离、净化技术，用附加能量作为推动力，用高分子膜作为介质，对多组分溶液进行表面过滤分离的处理方法。
早在上个世纪，膜滤法污水处理技术已在国外开始使用，是污水高度净化的有效手段。膜滤法能有效去除水中色度、嗅味、微生物、消毒副产物前体及其他有机物等，适
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