摘要：吸附法具有环境友好性、高效性以及经济性等特点，能有效地去除废水中各种污染物， 尤其是采用其他方法难以有效处理的有毒和难降解的污染物。在水处理领域尤其是深度处理 和水源水处理方面表现出极大的应用价值，成为时下水处理领域的一大研究热点。文章对吸 附理论进行了简要的介绍，并综述了其在水处理中的应用。同时分析了各自的优缺点，指出 其今后的主要研究发展方向。

关键词：吸附理论；水处理；污染物；发展方向；

0  前言

随着人口的增长和现代工业的迅猛发展，对水环境带来的污染日益严重。水体的污染，已经引起了当今世界各国的普遍关注。治理水污染已经成为当前全球水资源可持续利用和国民经济可持续发展的重要战略目标。为了合理地开发利用更水资源，降低水污染对环境的破坏和对人类生活的危害，必须对水体进行科学的处理。为了满足各种水质的不同标准，各种各样的水处理方法被广泛使用，常见的主要有混凝、沉淀和澄清、浮选、过滤、膜分离、离子交换、中和、氧化还原等物理化学方法和一些好氧和厌氧的生物处理方法，然而对难降解 有机物、消毒副产物及水中微量的重金属，以上的传统处理方法难以发挥长处，而吸附则可在去除此类污染物中大显身手。本文主要对吸附理论及其在水处理中的应用展开讨论[1]。

1  吸附理论

1.1 吸附概述

1.1.1 吸附的概念

吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。吸附过程发生在“气-固 ”或“液-固 ”非均相界面。

1.1.2 吸附的本质

在固液两相界面层中，吸附剂表面上的分子受力不均衡→存在剩余力场（即具有表面能）。根据热力学第二定律，这种能力有自动变小的趋势。当溶液中的吸附质→达到吸附剂表面时，致使界面上的分子受力变得均衡一些，从而降低了这种表面能。这就是吸附过程自动发生的一种推动力。因此吸附的本质是物质从液相（或气相）到固相表面的一种传质现象。

1.3 吸附剂

从广义而言，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有多孔物质或磨得很细的物质， 由于具有巨大的表面积，才有明显的吸附能力。目前吸附剂的种类主要包括腐殖酸类吸附剂、 碳类吸附剂、矿物吸附剂、高分子吸附剂、生物材料吸附剂、介孔 SiO2 纳米材料等，这些 吸附剂表面孔道丰富、比表面积大，因此吸附性能极强。

1.3.1 吸附剂的种类及吸附作用

腐殖酸类物质是一种天然的吸附剂，常有褐煤、泥炭和底泥等。腐殖酸类物质在土壤中 经微生物分解转化为黑色胶体物质，该胶体物质含有大量的羟基、羧基、羰基、胺基、磺酸 基和甲氧基等活性基团，使其具有亲水性、酸性和吸附性。腐殖酸对阳离子的吸附作用包括 离子交换、鳌合、表面吸附和凝聚等作用；碳类吸附剂主要包括活性炭、炭分子筛、活性炭 纤维、含碳的纳米材料等。活性炭是炭类吸附剂中最具代表性的吸附剂，在水处理领域已应用几十年。活性炭比表面积较高，且表面存在含氧官能团。对金属离子作用主要有表面孔隙 物理吸附、离子交换吸附、络合吸附和化学吸附等；矿物吸附剂按其内部孔的维数可分为 3  类：一是具有三维孔结构的沸石和硅藻土等物质；二是含有二维层状孔结构的石墨、蛭石和蒙脱石等物质；三是含有一维柱状孔结构的凹凸棒石、海泡石和石棉等物质。该类吸附剂主要通过表面配合作用、层间配合作用、离子交换吸附和共沉淀作用方式实现对重金属离子的吸附；高分子吸附剂主要有合成树脂、离子交换纤维和壳聚糖及其衍生物等；生物吸附剂主要是菌体、藻类及一些细胞提取物。植物、细菌、真菌、藻类以及酵母经处理加工成生物吸 附剂；介孔二氧化硅分子筛具有笼状结构，其具有高比表面积和高水热稳定性等优点，在吸附、催化及分离领域发挥着重要的作用。研究者通过在介孔 中引入特定的功能化官能团（如-NH2、-SH 、-S等） ，可以实现金属离子的选择性吸附与分离，包括金属阳离子、含氧阴离子、有机污染物和气体的去除与回收[2]。

1.3.2 吸附剂的性质

以碳类吸附剂为例，吸附剂的物理性质主要有比表面积、粒度分布、视密度、床密度强 度、灰分等。其中比表面积和粒度对吸附剂的吸附性能有着较大的影响。密度参数主要为工 艺设计所考虑，如床密度将决定一个活性炭滤床所需的活性炭量。强度是运输反冲洗等过程 中控制损耗所需。灰分越少表示吸附剂中的活性成分越多，因此可作为评判碳类吸附剂优劣 的一个指标。吸附剂的化学性质是指其表面性质，吸附剂表面大都含有丰富的含氧官能团，

这些官能团的存在及相对数量的多少，将决定活性剂的极性强弱以及吸附性能。

1.3.3 影响吸附性能的因素

1） 、 吸附剂的性质

吸附剂的比表面积越大，吸附能力越强，极性分子型吸附剂易吸附极性分子类的吸附质。故吸附剂的种类、比表面积、粒径及表面化学性质对吸附有很大影响。

2） 、 吸附质的性质

吸附质的溶解度、表面自由能、极性、浓度及吸附质分子的大小和不饱和度均对吸附性 能产生影响。其中，溶解度越低，能使液体表面自由能降低的越多，一定范围内的浓度增加均有利于吸附。

3） 、 外界环境

废水中的 pH 、共存物质、温度、接触时间等因素对吸附过程均产生一定的影响。

2 吸附理论在水处理中的应用

2.1 饮用水处理

吸附理论在饮用水处理主要用于以下几个方面

2.1.1 臭和味的去除

水源水中生物作用（如藻类）或者工业废水中一些能产生强烈臭和味的物质的进入，使水中产生臭和味，为保证净水的感官指标，通常可以采用粒状或粉末活性炭加以去除。

2.1.2 总有机碳（TOC）的去除

活性炭对 TOC 有比较稳定的去除效果，虽然由于吸附条件以及 TOC 组成物质和有机负荷的不同，活性炭对 TOC 的吸附容量不尽相同。

2.1.3 消毒副产物（DPBs）前驱物的去除

对消毒副产前驱物的去除方法，美国国家环保署推荐了三种优先考虑的控制方法，其中 包括活性炭吸附技术。一般认为原水中天然的有机物（NOM）是主要的消毒副产前驱物。大部分胶体状态的 NOM 在混凝过程中就可以被去除，剩余的 NOM 可以在氯化消毒前通过活性碳吸附去除。

2.14 挥发性有机物（VOCs）

挥发性有机物的范围较广，被活性炭吸附的难易不同，粒状活性滤池可直接用来去除水中的 VOC。

2.1.5 人工合成有机物（SOCs）

随着工农业的发展，相当一部分合成的有机物为致癌物，活性炭可有效地降低合成有机物在水中的浓度[8]。

2.2 废水处理

活性炭吸附法因其处理程度高、适应性强被广泛用于去除生物或物理、化学不能去除的微量溶解态有机物及二级出水中的难降解有机物。其对某些金属及其化合物亦有很强的吸附能力。据报道，活性炭对铋、锡、汞、钴、铅、镍、六价铬均有良好的吸附能力。

3 水处理中的吸附技术

3.1  活性炭吸附技术

3.1.1 粉状活性炭

粉状活性炭在饮用水处理方面用途极为广泛。主要应用领域包括：

a.  生活饮用水的嗅、味、酚、 卤代甲烷 （THMs）  等和余氯的去除。

b.  用于制备高纯水的预处理， 自来水进行离子交换前，预先去除水中的有机物、微生物、胶体与余氯，以防离子交换树脂被有机物等污染。

c.  用于一些电镀、印染、炼油等废水的三级处理，使废水二级处理后还不能被生物降解去除的某些余留有机物，用活性炭吸附去除，以保护饮用水源。PAC 的投加点可以有多处，并各有利弊：在滤池进水口投加，活性炭能有效利用，但炭粒有可能穿透滤层进入清水池或配水系统中，使出水微微发黑； 若在滤池前另设吸附沉淀池，则增加了投资和占地。但是粉末活性炭难以吸附产生三卤甲烷的前体物质等大分子有机物，并且其最大的缺点就是无法再生。

3.1.2 颗粒活性炭

①将粒状活性炭替换部分砂滤池中的砂粒，成为双层滤料滤池。这种方法仅替换部分砂层，可以迅速投产使用，但换炭较困难，只可作应急的有效措施。

②将砂滤池全部换成活性炭滤池，起吸附兼过滤的作用。

③在砂滤后面再建一个独立的活性炭滤池。

第三种方式因其可以避免一些悬浮物对活性炭孔隙的堵塞，能有效利用活性炭的吸附性能，充分发挥活性炭对有机物、杀虫剂、酚、嗅、味的去除作用等优点而被广泛采用 。

3.1.3 臭氧－活性炭

臭氧—活性炭工艺是在活性炭技术上发展起来的，该技术一方面可以利用活性炭吸附去除经臭氧氧化生成的低分子有机物，同时臭氧还发挥了活性炭不具备的杀菌作用 。

3.2 金属氧化物和黏土矿物的吸附技术

有些工业废水中含有许多对人体和环境有害的无机阳离子， 采用常规的活性炭等吸附剂处理效果不佳。金属氧化物和黏土矿物在一定 pH 值的介质中常带有某种电荷，有些在中性水中就带有负电荷，依靠电性作用应对无机阳离子有良好的吸附能力。实际上无机阳离子 在荷电固体表面上的吸附存在着多种形式。根据众多研究者的研究证实，活性氧化铝对水中的 As （Ⅴ） 、 Se （Ⅵ） 、 P （Ⅴ）和 F- 等无机离子有非常好的去除效果。 对砷的去除以吸附为主。 另外，由于磷酸根在铝氧化物表面上的吸附很强，且较 Cl- 、SO2-4 、NO和 CO2-3 等离子具有更高的吸附选择性，因此可用于去除河流、湖泊和海水等天然水体中的磷等。

3.3 生物吸附技术

生物吸附可通过生物体及其衍生物对水中重金属离子的吸附作用，达到去除重金属的目 的。生物体吸收金属离子的过程主要有两个阶段：第一个阶段是金属离子在细胞表面的吸附， 即细胞外多聚物、细胞壁上的官能团与金属离子结合的被动吸附；另一阶段是活体细胞的主 动吸附，即细胞表面吸附的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移至细胞内，包括传输 和积累。由于细胞本身结垢组成的复杂性，目前吸附机理还未研究透彻。生物吸附法作为一 项新兴的重金属去除技术，与传统技术相比，具有以下优点：（1）投资少，运行费用低， 无 二次污染；（2）处理效率高，且在低浓度下，金属可以被选择性地去除；（3） pH 值和温度条 件范围宽（40～90℃）[3]。

4 结语

固液两相的吸附过程相对于气固是一个较复杂的过程，由于污染物质仅转移至吸附剂上，并未彻底降解或转化为无害物质，   由此形成的提高吸附剂的饱和吸附量及吸附剂的再生问题日益成为其研究发展的方向。故 而，在未来水处理领域吸附技术的研究中，将着眼于：（1）建立一个能全面准确描述吸附 过程的模型。（2）改进现有的吸附剂，以提高过程的经济性和效果（3）通过合成新型的吸 附剂和吸附分离用的材料，并在吸附分离过程中得到应用；（4）结合现有吸附材料的性质， 开发出具有应用新特点的吸附材料和过程，来开发满足特定应用领域的各种干燥剂有着广阔 的空间；（5）利用吸附剂和吸附质的某些性质，开发有应用针对性的吸附分离技术，这是吸附剂发展的主要方向[4]。

参考文献

[1]蒲增林.  吸附法水处理技术的应用进展[J].  城市建设理论研究：电子版， 2013（24）.

[2]张自杰等.排水工程下册（第四版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000.

[3]陈靖. Fe/ Mg 改性生物炭去除水中氮磷的研究[D].  重庆大学， 2015.

[4]Ozturk N， Bektas T E. Reply to coment on “Nitrate removal from aqueous solution by adsorption  onto various  materials”，  by Y.S.  Ho[J].  JOURNAL  OF  HAZARDOUS  MATERIALS.  2005，120（1-3）： 277.