活性炭纤维电吸附处理废水的研究进展

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本文综述了以ACF作为电极利用电吸附技术进行废水处理的研究和应用进展。介绍了ACF电吸附废水处理技术的基本原理，总结了影响ACF电吸附和ACF再生的影响因素。文章指出今后应重点研究ACF在电吸附处理过程和再生过程中的表面化学基团的变化，以及将改性ACF用于电吸附处理特定的废水。

根据国家环保局统计，我国主要河流普遍存在有机污染，湖泊的水体富营养化严重，饮用水安全程度急速下降，而工业废水是水源污染的主要来源之一。目前被广泛运用的废水处理方法有化学法、物理法、生物法，以及这些方法的综合利用。电吸附技术用于废水处理具有安全、能耗低、无二次污染等优点，业界对其的关注度日益增长。

在电吸附过程中，具有吸附作用的电极材料起着非常重要的作用。与金属电极材料相比，新型炭材料具有更大的比表面积，良好的孔结构，化学惰性表面，一直是电吸附电极的首选材料。近几年，国内外主要研究包括以活性炭、活性炭纤维作为电极的电吸附技术。普通的活性炭在作电极的时候，往往需辅以高分子粘合剂成型，使得电阻增大。而活性炭纤维不仅具有丰富且分布窄的1～3 nm的微孔，使其具有1 000～3 000 m2/g的高比表面积，而且纤维直径一般在10～13μm之间，外表面积可达1.5～2m2/g，另外，还含有一定量的以羧基、羟基、羰基为主的含氧基团，容易与吸附质接触，扩散阻力小；且相对于粉末活性炭和粒状活性炭，其吸附和脱附速度更快，有利于吸附分离，所以被广泛应用于废水处理中。

1、电吸附处理废水的基本原理

1.1 电吸附理论及双电层模型

在电吸附体系中，由于电极与溶液的分界面上存在一个具有电容特性的，可以进行充电放电的双电层，使得电极提供电子或正电荷充当充电电荷，而溶液提供阳离子或阴离子用以充当放电电荷。在这个体系上施加不发生化学反应的电压的情况下’电极充电时水中的离子将会富集在电极上（见图1）。这样，如果电极具有一定的吸附作用，水中这部分富集离子将会被吸附。

Zou等人使用x射线衍射和N2吸附技术测试了活性炭（AC）以及中孔炭材料（OMC）表面的孔径大小和分布。发现AC中含有大量的微孔和一定量的中孔，而OMC中则主要是有序的中孔。他们利用循环伏安法测试表明：当OMC和AC分别作吸附工作电极时，其吸附的离子数量分别是11.6、4.3 μmol/g。根据这一结果，中孔比微孔在决定炭材料电吸附能力上更重要，提高中孔结构控制微孔结构是提升电吸附材料的两个重要策略。

此外，Han等人对电吸附前后ACF的表面结构进行了分析对比，结果表明ACF的比表面积大小和中孔（2～50 nm）容积随着电压增加而增大。该作者认为活性炭纤维在电极辅助下吸附能力的提升是因为在电压作用下ACF的比表面积和平均空洞尺寸大小增加了。

1.3 电吸附过程中的化学反应

很多研究表明在活性炭纤维电吸附处理废水的过程中，ACF所起的作用不仅仅是吸附作用。Fan等人在使用活性炭纤维对苋菜红偶氮染料进行电吸附研究中发现，当电压高于0.6 V时其阳极极化曲线上出现明显的氧化峰，说明在该体系里较高的电位会导致染料的氧化和降解。易芬云研究证实了ACF表面的羟基、酚羟基以及碱性基团能起到催化作用。陈水挟通过实验也发现某些有机物在吸附过程中可以使ACF发生氧化还原过程。

2、活性炭纤维电吸附处理废水的影响因素

2.1 活性炭纤维电吸附动力学

Han通过实验证实了活性炭纤维电吸附过程能更好地与Langmuir曲线拟合。从大量文献中发现，随着时间的增加，溶液中的吸附质浓度减小，而当溶液中的吸附质浓度减小到一定程度，或该吸附反应进行到一定时间，吸附质浓度保持稳定。Conway的实验也表明：在其他条件不变的情况下，ACF对NaSCN的吸附曲线也符合第一吸附理论。

2.2 pH值的影响

在利用电吸附方法处理含NaCl结晶紫染料废水的实验中，当pH值分别为3.0、5.5、7.0、9.1时，观察脱色率与时间的变化图线发现，在pH值为7.0时脱色效果最佳；当pH值为3.0时，脱色效果最差。研究人员认为这是因为当废水中存在C1—时，C1—会在活性炭纤维电极上被氧化生成C1O—进而氯氧化溶液中的有机物。此时，溶液的pH值直接影响了C1O—的多少，从而影响活性炭纤维电吸附水处理的效果。

另外，在Huang等人研究了用硝酸和壳聚糖溶液分别改性ACF，然后调控ACF表面使其Zeta电位为0 mV，再测溶液的pH值分别为8.2、2.2。这表明了pH值会影响ACF表面的Zeta电位。

2.3 电压的影响

探索电压对活性炭纤维电吸附过程的影响的研究工作有很多。在处理酸性橙7号（A07）的实验中发现当电压在0.8V后，溶液发生化学反应，此时该过程已不属于单纯的电吸附过程；在0～600 mV的电压范围，电吸附对染料的去除率最高的电压是600 mVo在600 mV电压下，ACF对A07的吸附率和吸附容量分别比不施加电压增加120%和115%。

Conway等人通过在实验过程中改变通入电流的正负性发现电吸附的微观过程：在炭毡电极电吸附过程中，改变通入电压的正负在刚开始的一段时间里会发现解吸附，但是随着时间的延长又会出现再吸附现象。解吸附的原因是通入的反向电压在炭毡电极上中和了最初已存在的电荷，产生对被吸附物质的电荷排斥；而再吸附现象出现的原因是在工作电极带上反向电荷的同时，对电极也带上了相应的反向电荷，这样炭毡电极上就产生了对溶液中相反离子再吸附。

3、电吸附处理废水后活性炭纤维的再生

活性炭纤维的再生可通过将活性炭纤维加热至高温，使得吸附的物质因受热脱离活性炭纤维表面实现，也可以利用酸洗和碱洗相结合的药剂再生法对吸附饱和的ACF进行再生。