CN105056884B - 一种用于饮用水净化的活性炭材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于饮用水净化的活性炭材料的制备方法，通过吸附改进剂、低温冷冻处理和超临界水处理，改善了活性炭中的孔径分布。与现有技术相比，本发明的催化材料以改性的活性炭作为载体，增加了活性炭中的中孔数量和比例，吸附有机小分子物质的能力更强，同时孔径分布中还有少量的大孔存在，对细菌和微生物也有一定的吸附能力。此外该吸附剂还具有成型性好的特点，也可加工成各种特定形状，方便安装和使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种能深度净化饮用水的活性炭吸附材料及其制备方法，属于水净化技术领域。
背景技术
随着在水污染日益加剧，城市饮用水源中的有机物含量显著提高，而国内大部分自来水厂仍然采用常规净水工艺，对水源中的低浓度的有机污染物只能达到40％的去除率，已经很难保证饮用水的安全可靠，因此饮用水的深度处理技术已经得到广泛的关注。
活性炭材料是一种重要的无定形碳素材料，为黑色多孔固体，化学性质稳定，孔隙结构发达，具有巨大的比表面积，是一种优良的吸附剂，具有丰富的孔道结构和巨大的比表面积，已广泛地应用于各个领域。活性炭的来源广泛，可以利用任何含有碳的物质如木材、锯末、煤、果壳、骨头等作为原料制备。由于活性炭具有特殊的微晶结构，孔隙发达，具有极强的吸附功能，容易再生且来源广泛，因此近年来活性炭在饮用水的深度处理方面得到了广泛的应用。
活性炭吸附处理水技术是上世纪六十年代从国外引进，近年来其应用和发展举得了巨大的进步。2005年松花江水污染事故的主要污染物硝基苯，使用常规的水处理技术去除率仅有2-5％，但是硝基苯容易被活性炭处理，在应急处理中采取了由活性炭粉末和活性炭颗粒共同处理吸附的方法，取得了成功。
但是由于活性炭的孔径大小分布主要集中在微孔区，而微孔对于有机大分子以及微生物而言尺寸偏小，难以起到吸附作用，因此常常需要将活性炭粉碎成很小的颗粒使用或者是将活性炭颗粒粘接起来使用。粉末活性炭虽然吸附效果很好，但是难以处理，不方便使用；使用粘结剂又容易对水质造成二次污染。因此改变活性炭的孔径分布，改善其性能是当前的研究热点。
CN104761018A公开了利用活性炭进行水处理的方法，包括如下步骤：在水处理工艺中选择活性炭进行水处理；所述活性炭按照如下标准选择：选择碘吸附值大于950mg/g且亚甲基蓝的吸附值大于200mg/g的活性炭；或者选择孔径不小于水处理中的有机物分子直径1.7倍的活性炭。
CN103752269A公开了一种改性活性炭及其制备方法。该改性活性炭对水体中的Cr(VI)离子具有很高的吸附能力，同时具有吸附容量高，对高浓度的重金属污染水具有良好的处理效果。该发明的活性炭是通过对原始活性炭的多步化学改性，使得活性炭表面接枝功能化的官能团，从而大幅提高活性炭对于Cr的吸附能力。
CN101125691A公开了一种利用活性炭纤维和臭氧氧化联合进行水处理的方法。在反应器底部设置单层或多层经过改性的活性炭纤维，反应器内活性炭纤维用量为1-50g/L，臭氧气体浓度为5-12mg/L，处理时间为5-90min。对活性炭纤维的改性是将活性炭放在炭化炉中进行二次活化，活化过程除了水蒸气，还可以选择二氧化碳、氨气以及金属盐类中的一种或两种作为活化剂，提高活性炭表面上大于0.7-2.5nm的孔径的比例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从空气中分离甲醛的活性炭吸附剂及其制备方法，在室温下本发明提供的吸附剂可以有效的吸收空气中的甲醛，且吸附容量大，使用寿命长。
一种用于饮用水净化的活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制质量浓度为10-20％的可溶性硝酸盐的水溶液；2)将活性炭浸渍在步骤1)得到的水溶液中10-24h；3)将浸渍了水溶液的活性炭在-30℃到-10℃的低温下冷冻1-24h；4)升温至120-150℃干燥1-3h；5)在超临界水条件下活化1-3h；6)常温下用双氧水洗涤后水洗；7)干燥得到改性活性炭载体；所述可溶性硝酸盐是硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙中的一种或多种，优选可溶性硝酸盐是硝酸钙。
所述改性活性炭载体的中孔数量占到总孔道数量的30％以上。
所述活性炭载体是来自于植物或煤加工得到的，优选所述活性炭载体来自于无烟煤煅烧制备，制备过程中的烧失率为25-40％，优选烧失率为25-30％；更优选活性炭的制备包括以下步骤：无烟煤除去杂质并粉碎成粒径为0.01-0.1mm的颗粒；加入聚甲基丙烯酸酯搅拌成型，在100-150℃下煅烧10-24h，在800-900℃下煅烧5-12h，在750-800℃和水蒸气条件下活化1-24h，即得到所述活性炭载体。
本发明还提供一种利用所述方法制备的改性活性炭，以及利用所述改性活性炭处理水，尤其是饮用水的方法。
一般来说，水中参见的有机污染物的分子直径都在1-50nm，也就是属于孔隙划分中的中孔(直径2-50nm)的范围，而常见的活性炭其孔隙分布基本都在微孔(直径小于2nm)的范围，因此普通的活性炭处理水中有机物以及细菌的效果并不好。本发明通过对活性炭的加工进行改进，大幅增加了活性炭中中孔孔隙的数量，并含有少量的大孔孔隙，改善了活性炭对水中有机物分子以及病毒细菌等有害物质的吸附效果。本发明公开的活性炭载体改进方法不需要添加额外的负载物，避免了对水体的二次污染。当然，本发明公开的活性炭载体也可以作为载体材料，预先吸附具有特定功能的物质，以期达到更好的效果。
本发明采用冷冻法处理活性炭，利用水在结冰后发生体积膨胀同时溶解在水中的硝酸盐部分析出晶体，使得部分微孔孔道发生坍塌，使得孔径扩大，形成更大的中孔孔道，甚至少量形成大孔孔道；同时结晶的硝酸盐晶体在干燥的过程中部分保留在孔道中，在随后的超临界水条件下，发生物理化学的反应，进一步改善了活性炭的孔道结构。此外在活性炭的改性处理中，加入适量的钙也有助于增加活性炭中中孔数量。
与现有技术相比，本发明的催化材料以改性的活性炭作为载体，增加了活性炭中的中孔数量和比例，吸附有机小分子物质的能力更强，同时孔径分布中还有少量的大孔存在，对细菌和微生物也有一定的吸附能力。此外该吸附剂还具有成型性好的特点，也可加工成各种特定形状，方便安装和使用。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明
实施例1
无烟煤除去杂质并粉碎成粒径为0.01-0.1mm的颗粒；加入聚甲基丙烯酸酯搅拌成型，在120℃下煅烧10h，在800℃下煅烧12h，在800℃和水蒸气条件下活化24h，即得到活性炭；配制质量浓度为20％的硝酸钙的水溶液；将活性炭浸渍在得到的水溶液中10h；将浸渍了水溶液的活性炭在-30℃的低温下冷冻5h；升温至120℃干燥3h；在超临界水条件下活化3h；常温下用双氧水洗涤后水洗；干燥得到改性活性炭载体；
实施例2
采用烧失率为30％的煤基活性炭；硝酸钙和硝酸钠按照3∶1的比例配制质量浓度为25％的水溶液，将活性炭浸渍在得到的水溶液中10h；将浸渍了水溶液的活性炭在-20℃的低温下冷冻10h；升温至150℃干燥2h；在超临界水条件下活化3h；常温下用双氧水洗涤后水洗；干燥得到改性活性炭载体；
对比例1
未经过改性处理的普通活性炭
对比例2
经过超临界水处理的活性炭
对本发明公开的改性活性炭和其它方法处理的活性炭进行水处理性能评价对比，采用不同物质的100ppm浓度的水溶液进行静态吸附1h，结果如下表所示
| 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 重金属 | 98.2 | 96.5 | 63.0 | 82.7 |
| 苯甲酸 | 99.1 | 98.9 | 45.9 | 63.8 |
| COD | 96.3 | 91.5 | 40.6 | 55.8 |
从吸附试验数据可以看出，本发明的吸附剂更好的综合吸附性能，尤其是对有机物杂质具有很好的吸附效果。
Claims (3)
1.一种用于饮用水净化的活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：
1) 配制质量浓度为 10-20％的可溶性硝酸盐的水溶液；2) 将活性炭浸渍在步骤 1)得到的水溶液中 10-24h；3) 将浸渍了水溶液的活性炭在-30℃到 -10℃的低温下冷冻 1-24h；4)升温至120-150℃干燥1-3h；5)在超临界水条件下活化1-3h；6)常温下用双氧水洗涤后水洗；7) 干燥得到用于饮用水净化的活性炭材料；所述可溶性硝酸盐是硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙中的一种或多种；
所述活性炭源于无烟煤，煅烧制备过程中的烧失率为 25-40％；所述源于无烟煤的活性炭的制备包括以下步骤：无烟煤除去杂质并粉碎成粒径为 0.01-0.1mm 的颗粒；加入聚甲基丙烯酸酯搅拌成型，在 100-150℃下煅烧 10-24h，在800-900℃下煅烧 5-12h，在750-800℃和水蒸气条件下活化 1-24h，即得到所述活性炭。
2.一种利用如权利要求 1所述的方法制备的活性炭材料。
3.一种利用如权利要求2所述的活性炭材料进行水处理的方法。
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