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活性炭过滤器结构对水质化学安全性


活性炭过滤器结构对水质化学安全性 活性炭过滤器用来做什么?这个问题实在太难回答了,因为活性炭所用到的行业 很多,所以这个一般没有具体的答案,像在水处理行业里面,它就是起着过滤的作用,而且 效果还是非常好的,那么家用的话,就是用来除臭味,新装的房子会有很大一股异味儿,这 时候就需要活性炭了。经过一定的发展,现在的洗发水也都用到了活性炭,所以活性炭的用 处是有很多的,而且效果也是比较

不错的。 在饮用水深度处理中,生物活性炭技术(BAC)是目前去除水中有机污染物最有效的技术 之一。尽管人们对生物活性炭净水机理的认知还没有达成共识,但是一般认为,生物活性炭 对有机物污染物的去除是在活性炭吸附和生物降解的共同作用下完成的 活性炭的吸附作用 使生长在它表面的微生物获得养料, 而微生物的氧化分解作用又使活性炭的吸附能力得到恢 复,两者相互促进,得到稳定的处理效果。因此在生物活性炭工艺中,吸附和生物降解是相 辅相成,缺一不可的。就吸附作用而言,不同活性炭由于其结构特征的不同,去除污染物的 能力会有差异, 并且, 同种活性炭在不同地域由于水质情况的差异而表现出的吸附能力也是 不尽相同的。因此如何针对当地水质快速选择出最适合的活性炭、提出相应的活性炭结构, 并最终建立起一套可行的活性炭性能评价体系成为当前急待解决的问题。 针对现行的活性炭选择方法所存在的局限性, 笔者提出了一种新的评价方法, 对不同活 性炭的结构和水质化学安全性指标进行了相关性分析。 研究表明这种方法针对性好, 同时方 便快捷,弥补了以往方法的不足,对活性炭的选择具有一定的指导意义。 目前,选择活性炭的常用方法是通过静态试验、活性炭滤柱实验(中试或小试)或 两者相结合来进行的。 静态实验主要是通过测定几个具有代表性的吸附指标, 来反应活性炭 的吸附能力,这种方法速度快,但是针对性较差,经常与实际运行效果有较大差别。活性炭 滤柱试验是通过分析活性炭柱的出水指标, 来比较活性炭吸附性能的优劣, 这种方法针对性 比较好,但是费时费力。 1 实验装置与分析方法 1.1 实验装置 实验是在南方地区某水厂内进行的, 采用 6 个平行的活性炭柱, 柱高 3 m, 内径 120 mm, 均装填有活性炭——石英砂双层滤料。 共装了 6 种炭, 分别为 BAC1、 BAC2、 BAC3、 BAC4、 BAC5、BAC6。其中 BAC1、BAC5、BAC6 为柱状炭,BAC2、BAC3、BAC4 为破碎炭。 活性炭层厚 1800 mm,石英砂层厚 300 mm,石英砂粒径为 0.80~1.20 mm。


实验用水为该厂滤后水并经过臭氧化的出水。在正常的运行下,臭氧投量为 1.5 mg/L; 反应接触时间 t1=10 min;每个滤柱的流量 Q=80 L/h;吸附接触时间 t2=15 min。实验期间 进水水质指标(平均值)见表 1。 表 1 实验期间活性炭柱进水水质
紫外吸光度 (UV254,cm ) 0.026
-1

高锰酸盐指数 (mg/L) 1.60

三卤甲烷生成势 g/L)?(THMFP, 2.3

浊度 (NTU) 0.1

余臭氧量 (mg/L) 0.5

AOC g/L)?( 46

1.2 分析项目及方法 分析项目与方法见表 2。 表 2 分析项目与方法
序号 项 目 测 定 方 法

1 2 3 4 5 6 7

孔容积(cm /g) 比表面积(m /g) Zeta 电位(mV) 紫外吸光度(cm ) 高锰酸盐指数(mg/L) 总有机炭 TOC(mg/L) g/L)?三卤甲烷生成势 THMFP(
-1 2

3

GB/T 7702.20—1997 GB/T 7702.21—1997

[[2]]

[[3]]

JS946+型微电泳仪 UV254 表示 GB5750-85
[[4]]

GB5750-85 GB5750-85

[4]

[4]

2

实验结果及分析

2.1 水质化学安全性 实验选取了紫外吸光度、三卤甲烷、高锰酸盐指数和总有机碳四个指标来反映活性炭对 有机物的去除。水中的天然有机物是造成色度、嗅味的原因物质,同时也是目前氯化消毒副 产物的前体物之一, 它的去除情况对出水水质及后续工艺都很重要, 因此选择紫外吸光度来 衡量活性炭对天然有机物的去除效果。三卤甲烷由于其“三致”作用,在国内外的饮用水标准 中都被列为重点控制指标,实验也考察了活性炭对其生成势的吸附能力。另外,为了使实验

更具可比较性和普遍性,还采用了高锰酸盐指数(耗氧量)和 TOC 两项常规的综合性指标。 分析结果见表 3。 表 3 活性炭滤柱出水水质化学安全性指标(平均值)
活性炭编号 BAC1 BAC2 BAC3 BAC4 BAC5 BAC6 平均值 UV254 去除率 66% 86% 88% 82% 78% 54% 76% 高锰酸盐指数去除率 54% 65% 71% 66% 65% 51% 62% TOC 去除率 100% 100% 97% 80% 27% -210% 32% THMFP 去除率 -43% 0% -7% -26% 39% -809% -154%

从以上结果可以看出: 1. 总的来说,6 根活性炭滤柱对 UV254 的去除比较高,其中效果最差的 BAC6 滤柱去除率 为 54%,效果最好的 BAC3 滤柱则可以达到接近 88%的去除率。整体来看,运行初期破碎 炭对天然有机物的吸附能力明显优于柱状炭。 2. 破碎炭对耗氧量的去除效果略好于柱装炭,其中 BAC3 的去除率超过了 70%,其它两种 破碎炭也可以达到 65%以上。柱状炭中 BAC5 的去除效果最好,为 65%,BAC1 和 BAC6 为 51%和 54%。 3. 1#~3#活性炭对 TOC 的去除效果很好,在进水 TOC 为 0.3 mg/L 时,BAC1 和 BAC2 的出水结果为 0 mg/L,而 BAC3 也仅为 0.01 mg/L。与它们炭相比,BAC4 的去除率略底, 为 80%。BAC5 去除效果较差,去除率仅为 27%,而 BAC6 的出水却出现了负去除。虽然 从 UV254 和 CODMn 两个参数来看,BAC6 的去除能力也是最低的,但出现负去除是反常情 况,这有可能是 BAC6 的制造过程中含有一些有机物,在滤柱通水运行的过程中被冲刷下 来,造成了出水 TOC 比进水还高。 4. 由表 1 可知,活性炭滤柱进水的三卤甲烷生成势已经比较低,经过滤后,只有 BAC5 对 THMFP 有一定去除,其他活性炭滤柱的出水,除 BAC2 去除率为 0 %以外,都表现为不同 程度的升高,其中以 BAC6 升高的幅度最大,接近 6 倍。这说明活性炭滤柱对三卤甲烷生

成势的控制效果不好。有文献表明[4]:THMFP 是比较难被吸附的一类物质,当有易吸附的 物质与其产生竞争时, 它很容易从活性炭表面解吸出来,而且活性炭对 THMFP 的吸附周期 也比其他吸附质短,容易出现泄漏。因此,活性炭对 THMFP 的低去除率很可能是由吸附质 的特性决定的,同时也不排除天然有机物等易于被吸附的物质与其产生竞争吸附的可能性。 5. 总的来说,BAC2 和 BAC3 对有机物的去除效果最好,BAC6 的效果最差。活性炭对天 然有机物的控制效果最好,对消毒副产物生成势没有去除。 2.2 活性炭结构特征 2.2.1 活性炭孔径特征 实验采用比表面积、 孔容积和孔径分布来表征活性炭的孔径特征。 比表面积和孔容积是 反映活性炭吸附能力的常规指标,由于在活性炭的孔隙结构中,微孔占了绝大的比例,所以 比表面积和孔容积反映的通常是微孔的发达情况。 但在水处理中, 期望被去除的污染物质的 分子通常比较大, 它被微孔吸附的可能性就大大低于小分子吸附质, 因此仅用微孔容积来衡 量活性炭的吸附能力显然是不全面的。 所以, 实验通过孔径分布来描述不同活性炭中孔和大 孔的容积,以考察它们对不同分子量大小的有机物的去除情况。 活性炭的孔径特征参数见表 4 和表 5。 表 4 不同活性炭的比表面积和孔容积
活性炭编号 BAC1 BAC2 BAC3 BAC4 BAC5 BAC6 比表面积(m /g) 1 114 1 091 1 328 1 100 1 027 917.5
2

孔容积(mL/g) 0.5790 0.6480 0.8363 0.5636 0.5489 0.4446

从分析结果来看:总体说来 BAC3 的比表面积和孔容积值与其他 5 种炭相比显出 了绝对的优势,而 BAC6 的两项指标均比其他五种活性炭的低。BAC1、BAC2、BAC4 和 BAC5 相差则不大。

由于活性炭的吸附能力与其内部的孔径分布特征是息息相关的, 所以需要对活性炭在不 同孔径范围下的孔容积作详细的分析,见表 5*。 表 5 活性炭不同孔径孔容积的分布 (nm)
活性炭编号 BAC1 BAC3 BAC4 BAC5 BAC6 <2 nm 2~5 nm 5~10 nm 10~20nm 20~30nm 30~50nm 50~100nm 0.197 0.386 0.166 0.191 0.139 0.100 0.297 0.094 0.104 0.058 0.021 0.023 0.021 0.022 0.025 0.012 0.014 0.012 0.010 0.007 0.006 0.006 0.004 0.004 0.002 0.002 0.005 0.005 0.005 0.001 0.004 0.006 0.006 0.005 0.002

注:由于某种原因,BAC2 的孔径分布情况没有进行分析 从结果中可以看出:无论在哪个孔径范围内,BAC3 的孔容积值都比其它活性炭高, 尤其是它的中孔容积 (2~50 nm) 更是表现出了明显的优势, 这与 2.1 中数据所显示的 BAC3 对 NOM、耗氧量及 TOC 的高去除率是相吻合的。而 BAC6 在任何孔径范围下的孔容积都 是 6 种活性炭中最低的,这与 2.1 中“BAC6 对有机物的去除能力最差”的结论也是对应的。 2.2.2 活性炭表面性质 研究表明, 活性炭的表面性质对吸附起到了重要作用, 表面带电量和酸性被认为是控制 吸附的重要因素。实验选用 Zeta 电位和 pH 值两项指标来考察活性炭的表面性质。Zeta 电 位值可以反映炭粒表面的电荷密度, 从而用它来间接表征炭粒由表面静电引力而引起的吸附 有机物的能力[[5]]。pH 主要是反映活性炭表面的酸碱性官能团的相对数量,这些官能团的存 在使得活性炭表现出两性性质,从而影响活性炭的吸附性能。在 pH 值的测定过程中发现, 活性炭煮沸液过滤与否所测得的 pH 值是有差别的, 过滤后滤液所得的数值比不过滤的平均 降低 1~2%。实验结果如表 6 所示: 表 6 不同活性炭的表面性质
Zeta 电位值 活性炭编号 (最大正电/最大负电,mV) BAC1 BAC2 4.7/-3.48 14.57/-5.16 (过滤/未过滤) 8.89/9.07 7.74/7.85 pH 值

BAC3 BAC4 BAC5 BAC6

11.51/-1.92 14.33/-14.13 5.73/-5.12 4.3/-3.48

9.1/9.18 8.41/8.51 8.35/8.64 8.58/8.73

分析结果显示:ζ 电位有正值也有负值,说明活性炭表面有带负电荷的也有带正电荷 的,并且同一种炭所带的电位值基本相近。柱状炭的 Zeta 电位值明显比破碎炭的低,表明 破碎炭表面所带的电荷较柱状炭要多, 这与破碎炭的出水效果要普遍好于柱状炭的结论相符 合。同时,在 BAC4 的孔容积不是很大的情况下,它对 NOM、高锰酸盐指数及 TOC 等几 项指标的去除率却表现得比较突出,这与其高 Zeta 电位值有一定的关系,表面静电作用增 大了它的吸附量。所有活性炭的 pH 值均大于 7,偏碱性,这时活性炭表面带主要带有正电 荷,而水中的 NOM 在中性条件下带有负电[[6]],因此将有助于活性炭对 NOM 的去除,这也 与 2.1 中的论断相吻合。 2.3 相关性分析 表 7 相关性分析结果
高锰酸盐指数 项 目 UV254(cm ) (mg/L) 比表面积(m /g) 总孔容积(cm /g) Zeta 电位(绝对值 mV) pH 值(过滤后) pH 值(未过滤) 孔容积(2 nm) 孔容积(2~5 nm) 孔容积(5~10 nm) 孔容积(10~20 nm)
3 2 -1

TOC (mg/L) 0.5270 0.4404 0.3171 0.0010 0.0037 0.2575 0.2453 0.8746 0.8548

THMFP g/L)?( 0.3950 0.3425 0.2370 0.0107 0.0088 0.1936 0.1851 0.9450 0.6672

0.5148 0.5853 0.6573 0.0484 0.0731 0.4504 0.4952 0.7848 0.6727

0.5574 0.6210 0.6080 0.0057 0.0178 0.4979 0.5612 0.6170 0.5596

高锰酸盐指数 项 目 UV254(cm ) (mg/L) 孔容积(20~30 nm) 孔容积(30~50 nm) 孔容积(50~100 nm) 0.3367 0.9115 0.9611 0.2171 0.8806 0.8684
-1

TOC (mg/L) 0.7813 0.4300 0.7812

THMFP g/L)?( 0.5954 0.6068 0.7623

为了寻求在活性炭结构和水质安全性的内在联系, 将上述水质化学安全性指标与活性 炭结构指标的检验结果作相关性分析,得出结果见下表(表中数值为 R2 值): 从以上结果可以看出: 高锰酸盐指数去除率的影响因素与 UV254 的基本一致,也是 Zeta 电位值越高,高锰酸 盐指数的去除率也就越高。对于孔容积分布,同样是 30~100 nm 的较大中孔和大孔对高锰 酸盐指数去除起到主导作用。 如果将高锰酸盐指数去除率和 UV254 去除率做相关性分析会发 现, 二者的相关系数可达 0.97。 这表明了该实验用水中的有机物主要是在紫外区 254 nm 处 有强吸收峰, 并且能被高锰酸钾氧化的, 那也就不难说明为什么高锰酸盐指数和紫外吸光度 与活性炭结构参数的相关性较为一致。 活性炭对 NOM 的吸附去除率与它表面的 Zeta 电位值有很大的关系,根据上面的分析,在 中性水环境下,NOM 为带负电荷的有机物,静电引力是活性炭吸附 NOM 的一个重要因素, 因此活性炭表面的 Zeta 电位值越高,它对 NOM 的去除效果越好。值得注意的是,在孔容 积分布与 UV254 去除率的相关性分析中,30~100 nm 孔径的孔容积对 UV254 去除率的影响 最大,其相关系数可达 0.98,该现象说明较大的中孔和大孔对 NOM 的去除起到主导作用。 这是因为:天然水中的有机物大多以腐殖质的形式存在,分子量大约为几百至几十万 [[7]], 这样大分子量的有机物只能够顺利到达较大中孔和大孔的表面被吸附而不容易被微孔和较 小中孔吸附。本文由 www.cqhmscl.com 网站原创。


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