活性炭在人类生活用水处理中的潜力、研究现状及其开发技术

摘要：这篇综述文章介绍了生物活性炭在水处理中的应用及其开发技术，前提是分析了活性炭 (AC) 在处理人类用水方面的潜力。为此，它旨在确定用于生产 AC 的技术、用途及其益处、从植物废物中生产用于水处理。活性炭具有选择性收集其孔隙内的气体、液体和杂质的能力，这就是它被广泛用于过滤系统的原因，对于水的处理，煤具有吸附剂的功能，在其孔隙中保留某些类型杂质：在水中引起不良颜色、味道或气味的大颗粒。在污水处理中，煤用于澄清，

关键词

活性炭,水 处理,使用 技术

一、简介

在 19 世纪，出现了第一份公开实验的报告，证明了活性炭能够中和潜在的致命毒物。一些古代民族已经描述了煤炭，例如埃及人和希腊人，并且美洲印第安人也知道煤炭在对抗中毒方面的作用[ 1 ]。活性炭 (CA) 是通过对某些类型的木材进行受控燃烧而获得的材料，可以由椰子壳和其他植物残渣以及软木残余物制成。它是一种非常多孔的材料，具有优良的过滤、除臭和去除有毒和放射性物质的作用，广泛用于化工、食品、制药工业、水过滤和净化系统[ 2 ]。

此外，它主要由碳形成，非常多孔，具有很大的接触表面，广泛用作催化剂载体和通过吸附来净化气体和液体，其中包括保留分子，包括重金属，在它们的表面孔隙中。使用活性炭去除有害杂质，无论是在水处理还是空气处理中，都是必不可少的 [ 3 ]。

激活煤的方法有两种，一种是物理的，一种是化学的。在大多数情况下，各种活化过程是原材料碳化或热解的基本过程的变体。活性炭也有三种基本物理形态：粉状（粉状）、颗粒状和丸状。

因此，活性炭的特性取决于所使用的原材料（植物或矿物）和活化过程（化学或物理）。因此，每个过程将具有不同的吸附特性和不同的用途[ 3 ]。尽管活性炭是去除污染物的理想材料，但由于其高昂的生产成本，其使用受到限制，这为降低生产成本的新研究提供了更可行的选择。其中一个选择是通过使用生物质作为替代前体材料来替代目前使用矿物煤的传统生产活性炭的方法 [ 4 ] [ 5 ]。

这项工作旨在概述用于研究活性炭在处理人类用水中使用的方法，以及对现有技术及其用于开发的技术的研究。因此，这里提出的讨论可能有助于扩大对这类研究的讨论。

2. 现有的活性炭生产技术

活性炭的生产首先是原材料的脱水和碳化，然后是活化，这会增加孔隙的直径并产生其他孔隙。根据原材料和使用的方法，可以获得不同类型的活性炭，用于不同的用途。活性炭在其结构中具有较大的多孔表面积，并且仍然在该表面上是功能性吸附材料 [ 6 ]。

制备活性炭的第一阶段是碳化，通常在 400°C 至 800°C 的温度下在没有空气的情况下进行。在原料的碳化过程中，芳香族多核化合物发生缩合反应，化学链的基团断裂，产生碳残基。在这种介质中，会发生连锁的交叉反应，抑制前石墨结构的发展 [ 7 ]。在煤的活化中，可以使用两种方法：化学过程活化或物理过程活化。

在化学活化中（图 1），碳化和活化在一个步骤中发生，其中浸渍有合适化学试剂的植物前体被碳化。化学活化的巨大优势在于能源成本低、温度范围为 400˚C 至 800˚C 以及工艺效率高 [ 8 ]。化学活化的优点是它为活性炭提供了更大的接触面积和更发达的孔隙，这与热活化不同，在热活化中，所得碳的面积较小，从而减少了用于吸附的表面 [ 9 ]。

另一方面，也可以使用物理方法（图 1），能够在单个设备中通过两个连续步骤进行。获得的煤在高温下暴露于充满气体或惰性蒸气的大气中，最终形成具有发达且可接近的内部多孔结构的最终产品 [ 7 ]。

同样，考虑到所用气体的惰性特性和不使用化学试剂（如酸），物理活化方法即使不是在单个步骤中进行，成本也较低，而且对环境的影响较小和基地[ 10 ]。在物理活化中，温度变化用于碳化前体，使用诸如CO 2的吹扫气体以消除在前体碳化反应中产生的H 2 O蒸气。随着 H 2 O 的损失，前体在高温下变得物理活化 [ 11 ]。

三、活性炭的用途及其好处

活性炭是世界范围内用于处理水和含水废物的最广泛使用的吸附剂之一。可以说，自 1773 年以来，舍勒就使用未经活化的煤来处理气体。1786 年它还被用于天然煤的水溶液脱色，并负责对煤在液相中的吸附能力进行首次量化。商业上可行的活性炭出现在 20 世纪初，瑞典科学家 von Ostreijko 在 1900 年和 1901 年获得了两项专利。这些专利包含有关化学和物理活化的基本概念，后者也称为热活化 [ 12 ]。

图 1。化学和物理活化的示范方案。资料来源：改编的 PEREIRA，2010 [ 11 ]。

活性炭是一种衍生自有机材料的多孔物质，通常是木质和纤维材料。活性炭的有用之处在于它可以过滤水和空气中的污染物，这使其成为过滤系统中的重要物质。用于获得活性炭的原材料几乎全部来自植物，并且具有高碳动力，例如椰子壳、矿煤、木材、动物骨头、农工残渣、橄榄石、栗子刺猬等。

此外，活性炭是具有微晶、非石墨形式的多孔碳质材料，其经过处理以增加内部孔隙率。一旦被激活，煤的内部孔隙度相当于一个分支成更小通道的隧道网络，依此类推。这种不同的孔隙度根据宏观、中观和微孔隙度的大小进行分类[ 13 ]。

因此，活性炭是具有高表面积和高度发达的多孔结构的碳质材料 [ 14 ]。前体和活化条件的选择使我们能够为不同的应用设计活性炭。最近，它们被广泛用于一系列应用，例如医疗用途、污染物和气味的去除、气体分离、催化剂载体和水净化等 [ 15 ]。

活性炭有三种主要形式，即颗粒状活性炭，它是形状不规则的颗粒，尺寸从 0.2 到 5 毫米不等，用于液相和气相应用。粉末活性炭，是煤粉，主要尺寸小于 0.18 毫米，它们主要用于液相应用和烟气处理。颗粒状活性炭经过热挤压工艺，平均直径为 4 毫米。它们主要用于气相应用，因为它们具有低压降、高机械强度和低粉尘含量[ 16 ]。

从这个意义上说，粉状活性炭和颗粒状活性炭最常用于废水处理或使水可饮用，主要用于去除低分子量化合物。然而，在将吸附过程应用于水处理中发现的问题之一是颗粒状吸附剂如颗粒状吸附剂中缓慢的颗粒内扩散。另一方面，粉末提供更快的吸附速度，但处理困难限制了其工业用途。

活性炭是一种具有高吸附能力的材料，非常有效，通常用于处理饮用水，但是考虑到原材料的来源，制造这种类型的吸附剂需要很高的成本 [ 17 ]。考虑到这一点，有一个缺点是在回收吸附剂的过程中会出现损失，这通常变得不合时宜。从这个角度来看，寻找可用于生产活性炭的低成本材料引起了极大的科学兴趣，例如生物质废物 [ 18 ]。

因此，通过生物材料的活性炭在该地区是一种低成本和丰富的材料，可用于污染物排放的处理和控制，净化过程，气体储存，催化剂，催化载体，除臭，分离、解毒等[ 19 ]。尽管成本低，但它仍然是一种用途非常有限的材料，因为它的缺点是在木炭的制备中，木质纤维素材料的生产过程通常需要高温，超过 700˚C .

4. 利用植物废弃物生产活性煤

活性炭消除了不同浓度、成分和大小的物质 [ 20 ]。该材料具有多种用途，已应用于食品、饮料、制药、化工等行业。在处理人类用水中，活性炭具有消除水的味道和气味，消除重金属、有毒气体和农药等污染物，减少天然有机物的能力，从而限制副产物的形成尽可能多的消毒和/或氧化，例如三卤甲烷[ 21 ] [ 22 ]。

因此，每种材料将决定活性炭的主要特性，例如孔的直径和存在。活性炭可以由椰子壳制成，也可以由软木残余物制成，这是一种非常多孔的材料，在过滤、除臭和去除放射性和有毒物质方面具有出色的特性。它还可以作为在高温下燃烧牛骨的煤源，被称为骨煤 [ 6 ]。

因此，亚马逊地区的特点是种类繁多的物种会产生尚未就其工业用途进行研究的残留物。Barca de Cupuaçu、Açaí 和 Ouriço da Castanha do Brasil 等产品可以以高质量、高产率和低成本生产活性炭，替代目前工业使用的化学吸附剂 [ 23 ]。同样，亚马逊的植物残渣已被证明是生产活性炭的重要前体材料，因为它们是可再生的，与其他前体材料相比，通常可以大量获得且成本较低。

就特性而言，良好的前体材料是其成分中碳含量高的材料，例如大米、果壳、矿物煤、木材、动物骨头、果核、咖啡豆等。活性炭的前体是在热处理过程中自身富集的材料，不会熔化或减慢防止微孔形成的速度。如果前驱体的孔隙率低，则需要对其进行活化[ 13 ]。

因此，生物质由动物或植物来源的有机材料组成，被认为是一种替代能源。农业废弃物具有很高的能源潜力，因为在碳化后，生物质可以转化为木炭 [ 24 ] [ 25 ]。

在许多国家，生物质用于生产活性炭，例如，在安哥拉，用于生产活性炭的生物质之一是非洲猴面包树是一种天然纤维生物质，用作生产定制活性炭的前体用于去除水道污染物的碳。使用的前体是在安哥拉收集的猴面包树残渣，即树皮、木材和种子。它显示了在生产活性炭中使用猴面包渣的充分性，这可以被认为是其残留物增值的新途径，具有良好的吸附性能[ 26 ]。

此外，“刺猬”树皮具有很高的木质纤维素含量，这可以使这种材料合格，因为它的构造具有有利于获得优质木炭的物理特性，另一个重要因素是“刺猬”树皮刺猬被认为是是来自巴西坚果生产链的废物，因此具有较低的购置成本 [ 27 ]。同样，植物纤维（如椰子或黄麻）可以是通过简单的制备方法生产多孔活化纤维的良好前体。根据粗纤维的性质、处理条件和活化剂，可以获得几种类型的纤维状活性炭[ 3 ]。

Carmona 分析了巴西坚果商业提取产生的残留物中生物质和木炭的能源潜力。为此，他将碳化方法应用于即时化学分析。在这些结果中，刺猬和 Castanha-do-Pará 被转化为木炭的外皮都具有用于能源目的的潜力。因此，此类残留物为此目的呈现出有利的特性，其中一些甚至与其他物种的木材所呈现的特性相似或优于[ 28 ]。

同样，阿萨伊石具有高碳含量，并且所生产的木炭具有不均匀的表面，具有不同大小的孔隙，因此阿萨伊石具有生产活性炭的潜力 [ 29 ]。由于木炭是从果实的中果皮中提取的，因此不会对环境造成破坏，是一种高效且生态正确的方法 [ 19 ]。

同样，[ 30 ] 生产和评估了从椰子内果皮 ( Cocos nucifera )中获得的活性炭的质量，并将其用于吸附存在于水性介质中的亚甲蓝染料，是通过物理活化制备的，使用水蒸气作为活化剂. 然后，进行了与活性炭（RGCA）的重量产率、热重分析、表面积（SBET）、孔体积和直径以及扫描电子显微镜相关的表征。为了评估吸附能力，进行了动力学和吸附等温线的研究，并应用了 Langmuir 和 Freundlich 等温线模型。椰子内果皮生产的活性炭质量上乘，可用作染料在水性介质中的吸附剂。

也就是说，使用植物残渣是制备活性炭的一种可持续替代方案，因为除许多其他物质外，使用果皮、西兰花茎、鳄梨皮或种子、栗子和刺猬等残渣材料可以减少活性炭的产生。固体垃圾。此外，通过仔细控制活化和碳化条件，可以制备具有高比表面积的活性炭，这些活性炭已被证明能高效去除废水中存在的有机和无机化合物，如染料和重金属，分别[ 3 ]。

5、水处理中的活性炭

1960-1970年代，西方发达国家开始使用活性炭技术处理饮用水，以提高有机污染物的去除率。此外，活性炭工艺已成为主要的先进水处理工艺，在美国、日本、荷兰、瑞士等发达国家普遍采用[ 27 ]。活性炭因其高吸附能力而被广泛用于水处理[ 8 ]。该产品在世界范围内普遍用于废水处理、饮用水、气体净化和作为催化剂载体 [ 31 ]。

同样，活性炭广泛用于废水处理。通常从木质纤维素材料（如木材、椰子壳、大米、甘蔗渣等）中获得，活性炭具有较大的多孔性，使其成为有史以来用途最广泛的吸附剂之一 [ 32 ]。然而，由于其高效率，活性炭吸附被公认为水处理的最佳控制技术，因此水净化是这种吸附剂的主要应用[ 33 ] [ 34 ]。

鉴于此，水处理分为八个阶段（图 2）： 1）集水区：包括从水源或水库中去除水；2）加合：是将水从泉水输送到处理处；3）混凝：在此过程中，将处理现有的颗粒较小的杂质；4）絮凝：对水进行机械搅拌，使杂质形成较大较重的薄片；5) 倾析：通过重力分离可沉降的固体；6）过滤：将水通过由粗砂、细砂、砾石、砾石和活性炭层形成的过滤器；7）消毒：水加氯、氟、PH控制；8）储备：水储存在水库中[ 35]。

图 2。使用活性炭处理水的阶段。资料来源：Autor。

水处理厂中的活性炭处理通常用于去除天然有机化合物、风味和气味化合物以及合成有机化学品。活性炭的吸附将气相或液相分子物理连接到活性炭的表面。活性炭是一种高效的吸附剂，因为它是一种高度多孔的材料，并提供长的表面积，可以吸附污染物 [ 16 ]。

[ 36 ] 调查了从巴西坚果壳中提取的活性炭的生产和使用，作为饮用水去氟的一种手段。鉴于此，生产包括在氮气 (N 2 ) 存在的烘箱中以 8°C/min 的加热速率将巴西坚果壳碳化，直至达到 700°C。该材料在该温度下保持2小时。结果表明，巴西坚果衍生物中的活性炭具有用作生物吸附剂的潜力，用于对供水进行脱氟 [ 37 ]。

简而言之，活性炭是一种强大的吸附剂，在水净化工作中大量使用，以去除污染物和不需要的成分。尽管活性炭可用于广泛的水处理应用，但它是所有市政和工业水处理设施中用于处理饮用水、废水和工艺用水的关键工具。

六，结论

在我们生活和即将到来的时代，化学过程需要得到负责任的处理，并适合寻求可持续性，减少对环境的影响。在水、空气、再生和回收领域采取直接行动是当务之急。在这方面，使用活性炭去除有害杂质，无论是在水处理还是空气处理中，都是必不可少的。因此，用于人类消费的水的生物处理降低了水的不稳定性，其主要特征在于低浓度有机物的存在。更稳定的水的好处包括减少细菌生长、生物膜的形成和分配网络中的腐蚀。此外，对消毒剂残留物的需求减少，最大限度地减少消毒剂与有机物反应产生的有毒副产物。鉴于此，去除水中的污染物对于保障生命和提供饮用水是必不可少的。由于在亚马逊地区大量发现的前体成本低廉，来自生物质残渣的活性煤是具有高潜力的吸附剂。几项关于活性炭的研究强调了它在处理被不同类型污染物污染的水的解决方案中产生的巨大潜力。然而，仍然有必要对生物质残渣的活性炭进行大规模研究，因为它是一系列可用于工业和人类日常生活的前体。一般来说，

致谢

本次审查的资源来自科学、技术、创新和通信部——MCTIC（葡萄牙语的缩写）。作者要感谢亚马逊国家研究所—INPA、Rede BIONORTE 和亚马逊联邦大学 (UFAM) 的合作。博士研究中的科学研究为第一作者。

利益冲突

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

参考

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