活性炭和活性炭纤维的对比(活性炭对比kdf除余氯)
引言
为什么目前国外活性炭在水处理方面的应用多，我国应用还比较少?
1）政策法规上的差距：资料显示，美国环保署经济因素：我国还处于发展中国家，经济实力不如发达国家，而活性炭的成本较高，使得我国活性炭在水处理方面的应用受到限制。
3）生产技术：我国活性炭工业和国外相比差距较大，特别在生产设备、自动化程度、测试分析手段、生产规模、质量保证体系及规格型号等方面，使得活性炭的质量不高，大量高质量的活性炭还需进口，品种较少，生产成本高，从而限时了活性炭的应用
为什么说我国活性炭应用在水处理方面有很大的发展前景？
1）环境因素：近年来，随着我国工农业生产和经济建设的快速发展，环境污染事故频频发生，同时我国还接连遭受了数起不可抗拒的自然灾害，使人们生存环境和身体健康受到了影响。随着2005年的松花江污染、2007年的太湖污染到2008年的四川地震、唐家山堰塞湖水污染等重大事故的救治中最终采用了活性炭净化处理。我国已逐渐将活性炭认可为保护环境安全的必要手段。
2）环保意识及政策因素：在我国环保意识逐渐加强，国家对饮用水的标准、生活及工业废水的排放标准不断提高的条件下，活性炭吸附作为一种最深度净化水的方法，因具有处理效果显著、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。
3）经济因素：随着活性炭制备原料的廉价化、制备方法、再生技术的不断完善、生产规模的不断扩大，使活性炭的使用成本降低，并且我国的国民经济也在蓬勃发展，从而使活性炭在水处理的应用不断扩大。
我国活性炭企业如何发展？
优化制备方法、生产技术，再生技术，扩大生产规模、降低原料成本等。
针对以上问题，本文比较了我国与国外活性炭在水处理方面的应用现状，分析研究活性炭的制备原料、制备工艺、再生等问题。并展望了我国活性炭产业未来的发展方向及发展前景，以期对我国水处理用活性炭市场有指向性作用。
国外活性炭的发展动向
2.1活性炭生产/应用情况
目前，世界活性炭的年产量约120万t 左右，中国约占1/3。如今全世界约有50个国家生产活性炭，美国、日本、英国、德国、法国和俄罗斯等国家的发展处于领先水平。其中生产能力增加最多的国家是美国、中国和日本。自1990 年以来，美国活性炭消费增加了5 % ，日本增加了7 %。其中用于水处理炭是最大的市场，占整个活性炭消费量的35 %以上。几年来，水处理炭一直左右着活性炭市场。从1992 年至1997 年美国用于饮用水工业和城市废水处理的活性炭增加了11 %，即从4. 68 万t 增加到7. 81 万t ，欧洲也发生了类似情况。近年来，国外为满足市场对活性炭的需求量，各国活性炭公司均新建了工厂，如：日本在马来西亚新建了一个年产0. 8 万t的活性炭厂；卡尔岗公司在新加坡又建立了一个子公司；日本三菱化学公司新建了一个年产0. 3 万t 煤制粉状活性炭厂，又和中国山西新华化工厂合资建厂；库拉雷化学公司新建了一个年产0. 3 万t 煤制颗粒炭的工厂;斯里兰卡比克2林克活性炭公司欧美卡尔岗公司的活性炭生产现状和公司战略
1997年时，世界65 万t 的市场规模，18万t 是煤质炭，卡尔岗公司有9 万t。占其1/ 2 。由于中国煤质优、丰富、能源便宜、成本低，因此，卡尔岗公司瞄准了中国的煤资源。他们设想，以中国煤资源、能源为本，卡尔岗公司提供活性炭生产技术、售后技术服务，在亚洲地区扩大推销。他们认为，只要在中国就地生产能早日实施，有了廉价可靠的资源，也可占领中国市场。
2）荷兰活性炭市场和厂家战略
在荷兰，活性炭生产始终处于过剩状态。因此，活性炭市场供过于求的形势没有变化。他们以亚洲为发展地区，将其成为他们的活性炭开发市场。荷兰Norit 公司是世界最大的厂家,每年活性炭产量11 万t 左右。如投资建设新厂，设备将进一步过剩，因此，想法合作或收买现有厂家，这样可占领当地市场。
3）日本活性炭生产新动向
近年来，日本活性炭生产的趋势提高活性炭产品的质量和研究新的活性炭制造方法，特别是开发大比表面和含硫量极低的高质量活性炭的制造方法,如: 内外并热的流化床活化装置的开发、高品质活性炭制造方法的开发。
通过国外市场分析可知，活性炭工业正处于蓬勃发展时期，其在水处理方面发展前景最佳；亚洲地区将是大的活性炭的消费地区；廉价的原料是未来活性炭降低成本的有效途径；同时提高活性炭产品的质量及新的活性炭制备方法是未来发展趋势。这些都为我国活性炭生产企业指明发展方向。
我国发展回顾
3.1产量
解放初期，国内仅有一些生产粉状炭的小作坊，没有粒状炭。1981 年据林业部对全国活性炭厂进行调查资料计算，我国活性炭年产量仅1 万t 左右。在怀玉山召开第一次全国活性炭学术讨论会以后的20 年里，我国活性炭工业有了一个突飞猛进的发展，年产量由1981 年的1 万t 发展到1999 年的12 万t 以上，约占世界产量的1/ 4 ，2007年生产量达到35万吨，出口量25万吨。活性炭产量占世界产量的三分之一，已成为世界上最大的活性炭生产国。
目前有中小型活性炭生产企业1200余家，中大型的企业每年产量为3千到1万吨，并在不断扩大。最早活性炭厂为：新华化工厂（太原）。我国两大活性炭生产基地为-大同和宁夏。
代表性的生产厂家有：大同市云光化工厂、宁夏太西活性炭厂、唐山建新活性炭有限公司、大同丰华活性炭有限责任公司、信鹏活性炭厂等。
3.2 质量、品种
我国活性炭产品的质量也有了突破，如:高比表面积炭、高苯炭、微球炭等。产品的品种发展也很快，原来只有粉状炭,后来有了粒状炭、纤维炭和炭分子筛等。化学活化法制备活性炭的研究也有了新的进展，原来只有氯化锌活化法,现已发展到利用磷酸、KOH、硫酸作为活化剂。1996 年山东烟台召开的全国活性炭学术讨论会以来，活性炭品种的开发和产业化方面取得了新的成就，如：大颗粒脱硫脱硝活性炭的问世，填补了国内空白;特种浸渍炭的国产化取得了可喜成效；面向生物工程、新型能源和环境保护，开发高性能活性炭已成为新的研究热点。
3.3技术
据“国内外活性炭”资料报道，在引进国外技术方面，我国引进了国外资金和技术，如:日本三菱化学公司与中国新华化工厂合作，建立一家新的活性炭生产企业，日方将持有新企业的50 %以上股份，并负责选派各类经营人员、技术人员进行管理；三菱公司委托该部门生产的干式脱硫脱硝活性炭，在日本销量极佳,由于市场需求不断扩大,公司已作出合资决定。据三菱化学公司高层人士讲，与中国企业的合作，不仅可降低生产成本，还可创造巨大的效益；而中国在活性炭品种的开发和产业化方面也取得了新的成就。国内在活性炭的基础研究和技术基础研究方面，作了更深一层的试验研究，如：对吸附过程的分子模拟,活性炭对超临界气体吸附以及新的孔隙结构计算方法等方面进行了探索。
3.4 应用
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。使用最早的是燕山石化进行地下水处理及甘肃白银对金属矿废水的处理。另外，1965 年沈阳自来水公司，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12 000 t活性炭工业装置也已建成。
目前我国珠三角，长三角地区的发达城市都已使用活性炭进行水处理。但从总体上看，中国水处理还处于较低水平。
3.5 科研
主要科研单位：过程所、防化院、矿大、煤科院、山西煤化所、大连理工、天津大学、哈工大、北化工、清华大学、中国林业科学研究院林产化学工业研究所、昆明理工大学等。
3.6 存在的问题
我国活性炭行业在制造技术上不如欧美国家，国外在活性炭制造方面已达到了规模化、自动化、低消耗、无污染、产品质量稳定的先进水平，而我国仍然存在生产规模小、产品质量参差不齐、资源浪费等问题。特别是在化学法生产活性炭技术上，与日美等国有较大差距。日本氯化锌法活性炭生产技术采用回转炉两段法，其氯化锌消耗几乎为零，且不用盐酸回收锌。而我国的氯化锌消耗平均为每吨活性炭300 kg，盐酸消耗为每吨活性炭500 kg。美国磷酸法生产活性炭酸消耗在20 %以下，我国平均在35 %。这不仅造成生产成本的上升，最主要还给环境带来了较大的公害。
国内的活性炭工业必须注重研究活性炭的应用发展趋势，加强新技术开发，促进整个活性炭行业的良好发展。
我国水处理用活性炭的未来发展
4.1 原料
木质原料：木质原料在我国活性炭工业中占有着十分重要的地位。其中,椰子壳、核桃壳为最优,但由于原料有限,制约了其发展。
煤炭：对于我国来说，煤炭资源丰富、分布广泛、价格低廉,因此以煤为原料生产活性炭有着很好的前景。
石油原料：主要指石油炼制过程中的含碳产品及废料。例如石油沥青、石油焦、石油油渣等。
高分子含碳原料：聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等。这些原料主要指工业回收废料,我国目前尚未充分利用。
其他：旧轮胎、动物骨、动物血、蔗糖、糖蜜等。
总之：
（1）原料的来源逐步转向储量丰富，价格低廉的煤炭。以煤为原料的活性炭发展很快, 应用范围和数量也在迅速扩大, 目前煤质活性炭产量已经超过了木质活性炭。
（2）近年来, 多用农林副产品、纸浆废浆、劣质煤和煤研石等许多含碳的工业废料, 制造价格低廉或具有特殊性能的活性炭。国内外利用废弃材料制备活性炭，以谋求廉价原料的探索受到了重视, 如采用废塑料、废橡胶、纸浆废液、石油副产品等原料制得的活性炭，有的已投入应用，这种有效的变废为利的方法前途甚广。
4.2制备方法与技术
4.2.1制备方法：
1）气体活化法：世界上生产活性炭的厂家70%以上都是采用气体活化法。我国主要以气体活化法生产活性炭。物理活化对环境污染小，因其是依靠氧化碳原子形成孔隙结构， 故活性炭的收率不高，且活化温度较高，需先进行炭化再活化。
2）化学活化法：1980s年代中期，美国阿莫卡公司以KOH为活化剂，采用化学活化法，制得比表面积大于2500m2/g的活性炭。日本大阪煤气公司，用中间相沥青微球为原料、也采用类似的活化方法制得比表面积高达4 000 m2/g的活性炭。日本关西热化学也有这种称之为Maxsorb的制品。中国科学院山西煤炭化学研究所于1990s年代初开展了这方面的研究工作,并成功制得了高比表面积活性炭化学物理活化法：为了发挥物理活化和化学活化各自的优点，目前世界各国包括我国在内都在研究、探讨将化学活化法和物理活化法结合起来，用新型的生产工艺，生产出孔隙结构更加合理、发达、吸附性能更优越、用途更广泛的活性炭产品。
4.2.2生产制备技术
1）连续化、无公害化制造技术
欧美等发达国家在活性炭制造技术方面已完成大型化、自动化、连续化、无公害化制造体系：如美国的卡尔岗公司、维斯特维公司、荷兰的诺瑞特公司、年产活性炭均超过万吨，员工仅100多人。而且对制造新工艺的研究与活性炭微孔结构和表面化学基团的关系研究，做到了品种的专用化和多样化。如美国、日本的活性炭产品品种达到数百种。
2）活化剂低消耗制造工艺
传统化学法制造活性炭的缺点是活化剂消耗大，回收率低，产生的废水废气对环境造成危害。随着工艺技术的进步，日本氯化锌法活性炭生产技术采用回转炉两段法，较低温活化，其氯化锌消耗量极低。美国磷酸法生产活性炭，磷酸消耗在20%原料预处理
活性炭原料的预处理包括脱灰和预氧化。活性炭生产原料为木质、煤质等天然产物，均含有一定量的杂质，如Si、Al、Ca、Mg等元素，这些成分在活性炭制备过程中有极敏感的阻止微孔形成的作用通过对原料脱灰预处理，能显著提高活性炭性能。以煤质原料为例，国内外研究采用新的研磨技术结合化学洗涤法，可获得灰分为1%的精煤，但是成本相对较高。
活化前对原材料进行适当的氧化处理，可以提高活性炭的吸附性能和产率。原料预氧化对活化过程有两点较为明确的优点：一是能降低活化温度和缩短活化时间；二是通过原料的预氧化后增加了原料的表面活性，使得活化作用更容易深入到原料颗粒内部。原料预氧化处理一般有干和湿两种方法干法为在一定加热条件下，用空气、氧气等气体作为氧化剂，湿法则常用硝酸、硫酸等作氧化剂。研究表明，氧化预处理可获得煤质活性炭比表面积3000m2/g,碘吸附值1500mg/g,亚甲基蓝吸附值300mg/g,苯酚吸附值250 mg/g的性能，对于木质活性炭的亚甲基蓝吸附值可达到760 mg/g。
4）使用催化活化剂
当利用物理活化法制备超级活性炭时，添加催化剂进行催化活化可成倍提高反应速率，降低活化温度，并且孔径分布集中。例如，国内专利以采用钙催化物理活化法，C-H2O反应活化能从185kJ/mol降低到164～169 kJ/mol，孔径集中于5～10 nm。日本专利采用过渡金属元素作催化剂，不仅减少了反应时间，而且获得比表面积达到2 500～3 000m2/g的超级活性炭，有代表性的过渡金属化合物有Fe2使用模板
在无机物模板内很小空间加热再生法
方法：加热再生法是目前应用得最多,工业最成熟的活性炭再生方法。该法主要是通过外部加热的方式来改变活性炭上的吸附平衡关系进而达到解析和脱附的目的,从而使活性炭再生。
特点：加热再生法是传统的再生方法, 由于能够分解多种多样的吸附质而具有通用性， 从而成为主要再生方法。热再生是恢复自来水厂活性炭吸附性能的有效方法。炭损失大，多达5%～10% ,运输费用大，生物活性炭再生损耗上与纯吸附活性炭有所不同，由于生物膜的影响，其再生损耗大大高于纯吸附活性炭，根据此次再生情况保守估计应该在15 %～20 %。但再生效率较高。
设备：现国内企业普遍采用的再生设备是转炉、多层炉、流动层炉等。转炉为一卧式转筒,从进料端到出料端炉体略有倾斜,炭通过螺旋输送设备,经调速电机定量给料,途经干燥段、高温活化段、冷却段,在炉内的停留时间靠倾斜度及炉体转速来控制。由于氧化性气体对活性炭自身的烧损较大,一般用水蒸气作为活化气体。炉膛温度一般控制在850～950 ℃。
改进：一般加热再生法要经过高温分解、气体活化生物再生法
方法：生物再生是利用微生物将吸附在活性炭上的污染物质氧化降解。微生物的分解效果在于:在活性炭颗粒周围生长了一层嫌气性生物膜,分解被吸附的高分子物质或者生物分解度低的物质。通过这种作用使难于被吸附的分解产物解吸,再通过外侧的好气性微生物而被氧化。
特点：生物法简单易行，投资和运行费用较低，但所需时间较长，受水质和温度的影响很大。微生物处理污染物的针对性很强，需特定物质专门驯化。且在降解过程中一般不能将所有的有机物彻底分解成CO2 和H2O，其中间产物仍残留在活性炭上，积累在微孔中，多次循环后再生效率会明显降低。
3）湿式氧化再生法
方法：活性炭湿式氧化再生是在高温高压条件下,用氧气或空气作为氧化剂,将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法。
特点：湿式氧化再生法处理对象广泛，反应时间短，再生效率稳定。利用失效炭本身氧化热来维持反应系统温度,再生过程中无需另外加热。但湿式再生氧化也存在不足:1)随吸附种类不同，氧化难易程度相差很大，需选用催化剂,，增加了成本；2) 降低活性炭吸附性能，氧化液和废气需进一步处理；3) 最佳氧化温度不易控制；4) 所需设备需耐腐蚀、耐高压。
4）溶剂萃取再生法
方法：溶剂萃取再生法是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系，通过改变温度、溶剂的pH 值等条件，打破吸附平衡，使吸附质从活性炭上脱附下来。根据所用溶剂的不同可分为无机溶剂再生法和有机溶剂再生法。1) 无机药剂再生，是指用无机酸电化学再生法
方法：电化学再生发是采用化学方法进行再生得一种较为理想的方法,主要是将饱和的活性炭填充在两个主电极之间,置于电解液中,在直流电的作用下,活性炭极化,在其阴阳极发生氧化还原反应而使吸附的污染物发生分解从而使活性炭再生。电化学法再生活性炭的影响因素主要有:活性炭所处的电极,所用辅助电介质的种类、浓度以及再生电流和再生时间等。从电化学再生饱和苯酚的活性炭实验结果得出,吸附苯酚饱和的活性炭,其阴极的再生效率比阳极的效果好,当电解质溶液是NaCl时,再生效果较好,同时,再生效率随电解质浓度的增加而增加,但达1%后无明显变化,还随再生电流及再生时间的增加而提高,但在5h后基本呈稳定状态。
特点：电化学再生效率较高，可达80%～95% ，再生均匀，能耗少，炭损少，不会造成二次污染。电化学再生技术刚兴起，处于研究阶段，可以预见具有良好的发展势头。
6）微波辐射再生法
近些年来，微波辐射因微波辐射能量后极性分子通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转而快速的产生热效应而引起了人们的关注。微波辐射技术已经被广泛的应用于家庭，工业及医药业等。微波辐射也被用于环保领域。目前，微波辐射再生活性炭作为传统再生方法的一种具有可行性的替代方法而被提出。
方法：微波辐射再生法即通过微波辐射活性炭，经过高温使有机物炭化活化，从而恢复其吸附性能的方法。微波辐射再生可以看作是内加热的方式使活性炭再生。微波辐射再生的影响因素：微波功率、微波辐照时间及活性炭粒度及含水量等。从微波辐射再生吸附PCP饱和的活性炭试验看出：微波功率是影响再生的最主要的因素，在一定范围内，微波功率越大，辐照时间越久，含水率越低，再生效果越好。但是无限的增大微波功率将会使活性炭受损,应根据具体的实验来确定相应的参数
特点：微波辐射再生法可以降解一些较难降解的有机物质，该法简单易行，能耗低，周期短，但若工艺条件控制不当，则活性炭的烧损比较严重。微波辐射技术已经显示出其无与伦比的优越性，可以预见在未来的工业应用中具有广阔的应用前景。
7）超声波再生法
方法：超声波再生法的最大特点就是在活性炭的局部施加能量，而不需将大量的水溶液和活性炭加热,，使吸附质脱附，从而达到再生的目的。此再生方法可以说是在加热再生的方法的基础上发展起来的，但是还不成熟，通过理论分析及实验来证明超声波再生的可行性。用超声波再生吸附TCE饱和的活性炭，TCE得到解析，活性炭得以再生。Rege等也用超声波降解了饱和活性炭上的苯酚。我国的研究人员业已通过实验说明了超声波再生的有效性。
特点：再生实验结果表明该法具有能耗低，工艺及设备简单，炭损小，可回收有用物质等优点，但再生效率低，且只对物理吸附有效。
超声波再生法的研究仍处于起步阶段，其与热再生法相比具有一定的优势，是非常有发展潜力的再生方法。
8）超临界CO2 萃取再生法
超临界流体萃取法再生活性炭是20世纪70年代末开始发展的一项新技术。SCF具有密度大、表面张力小、扩散系数大、溶解度大、传质速率高、扩散性能好,与固体活性炭不相溶,且对活性炭表面存在活化作用等优点,是再生活性炭的理想溶剂。
方法：依据SCF 萃取原理，利用SCF 作为溶剂，将吸附在活性炭上的有机物扩散并溶解于SCF 之中。
特点：研究表明，超临界CO2 对活性炭的再生效果比较理想，在较温和的条件下就可达到较理想的再生效率，并且经多次循环使用再生后，活性炭仍能保持较高的吸附性能。其不足之处是：设备投资大，运行成本高。
9）臭氧氧化再生法
方法：臭氧氧化再生法是用臭氧做氧化剂将吸附在活性炭上的有机物氧化分解，实现活性炭再生的方法。
特点：臭氧氧化再生会使活性炭表面酸性官能团增多，吸附苯酚的能力下降，所以必须找出合适的臭氧用量，在不改变活性炭表面化学性质的条件下，除去苯酚和其他氧化副产物。
10）光催化再生法
方法：TiO2 光催化技术是近年发展起来的一种发展前景看好的环境友好氧化技术，其显著特点是在借助光催化剂表面受光子激发产生的高活性强氧化剂•OH 自由基,将水体中绝大多数的有机及部分无机污染物氧化，使其逐步氧化降解，最终生成CO2 、H2O 等无害或低毒物质，从而实现活性炭的光催化再生。近年来，研究人员开展了许多TiO2 光催化再生活性炭的研究，如:用TiO2光催化再生处理印染废水的活性炭，可以使有机污染物分解为H2O 和CO2。
特点：光催化再生与印染废水的浓度、pH 值以及其他盐类和无机物有关。光催化再生型活性炭在其吸附达到饱和后，不需要其他步骤，直接在紫外光照射下即可实现原位再生，再生工艺简单，设备操作容易，生产规模可以随意控制，且可以使用日光辐射，能耗低。因此，光催化再生的研究具有重要意义。其不足之处是：耗时长，处理效果尚不十分令人满意。
11）其他再生方法
活性炭再生的目的即除去吸附质，恢复活性炭吸附性能。由于吸附质种类繁多，性质各异,，从而决定了再生方法的多样性。除上面介绍的几种主要方法外，其他方法如：放电高温电加热法(翁元声,2004)、新型“相转移”再生法(周明华等,2005) 、催化湿式氧化法(李光明等,2004)、高频脉冲再生法(吕德隆等,1996) 、原位蒸气再生法、浮选再生法、双极性颗粒床电极法(刘守新,2002)、红外辐照再生、离子交换再生(王岩,2001)等都曾有过报道。
总之，热再生因其应用的广泛性,应尽力完善其自身的劣势,以便获取更大的经济价值。而几种新起步的再生方法还需不断的探索以寻求更大的发展空间。新兴起的再生工艺较传统的再生方法具有炭损小,吸附性能好,且无二次污染等优势。随着现代科技的发展,必将推动能耗小,炭损小,再生周期短而效率高的全新再生技术的涌现及现有技术的发展和完善,也将使活性炭在水处理方面拥有更大的市场需求。
来源 | 弗戈工业，编辑|环保水圈