粉末活性炭吸附技術(shù)在飲用水處理上的研究進(jìn)展

王偉

【摘 要】粉末活性炭具有很強(qiáng)的吸附性能，對(duì)水中的色、嗅、味、有機(jī)物等去除效果明顯。這里介紹了活性炭的制作、用途、分類和構(gòu)成等，并對(duì)粉末活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】粉末活性炭 飲用水 吸附

【中圖分類號(hào)】 TQ424.1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0044-01

1 粉末活性炭簡(jiǎn)介

活性炭可由含碳物質(zhì)（如木材、鋸末、椰殼、果殼、煤以及焦炭等）經(jīng)炭化和活化后制成，經(jīng)高溫炭化和活化后的活性炭具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，能耐強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，能經(jīng)受住水浸、高溫、高壓的作用，且不易破碎[1]。根據(jù)其外觀形狀、制造方法及用途等不同，有多種分類方法。從外觀形狀上，活性炭可分為粉末活性炭、顆粒活性炭、破碎狀炭等。作為多孔性吸附劑的活性炭基本上是非結(jié)晶性物質(zhì)，它由微細(xì)的石墨狀微晶和碳?xì)浠衔锊糠謽?gòu)成。其固體部分之間的間隙形成孔隙，給予活性炭所特有的吸附性能。

活性炭具有多種機(jī)能的最主要原因在于其多孔性結(jié)構(gòu)?；钚蕴恐芯哂懈鞣N孔隙，不同的孔徑能夠發(fā)揮出與其相應(yīng)的功能。微孔（孔隙直徑<2nm）比表面積很大，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附作用；中孔（直徑2-50nm）可以起到通道和吸附的作用；大孔（直徑>50nm）主要是溶質(zhì)到達(dá)活性炭?jī)?nèi)部的通道，還可以通過(guò)微生物在其中的繁殖，使無(wú)機(jī)的碳材料發(fā)揮生物質(zhì)功能。

2 粉末活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用

自1929年美國(guó)芝加哥市一水廠用粉末活性炭去除嗅味開始，粉末活性炭用于給水處理已有80多年的歷史，是水處理中最常用的吸附劑。其對(duì)水中的色、嗅、味去除效果明顯，對(duì)農(nóng)藥、酚類和鹵代烴等消毒副產(chǎn)物及其前體物均有較強(qiáng)的吸附能力，特別適合受突發(fā)性水污染影響及原水水質(zhì)季節(jié)性變化較大的水廠 [2]。美國(guó)環(huán)保署有關(guān)飲用水標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)污染物指標(biāo)中，有51項(xiàng)將活性炭應(yīng)用列為最有效處理技術(shù)[3]。

粉末活性炭吸附水中溶質(zhì)分子是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，是由分子間力、化學(xué)鍵力和靜電引力所形成的物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附綜合作用的結(jié)果?；钚蕴繉?duì)污染物質(zhì)的吸附過(guò)程主要是物理吸附，其受活性炭的物理結(jié)構(gòu)影響很大，如微孔數(shù)量的發(fā)達(dá)程度等。物理吸附是一個(gè)放熱過(guò)程，不需要活化能，可在低溫下進(jìn)行，可以形成單分子層或多分子層吸附，在吸附的同時(shí)被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)還會(huì)離開活性炭表面，出現(xiàn)解吸現(xiàn)象；活性炭在制造過(guò)程中形成的官能團(tuán)，使活性炭也具備了化學(xué)吸附的性能，此過(guò)程需要大量的活化能，需要在較高的溫度下進(jìn)行?；瘜W(xué)吸附具有選擇性，只能形成單分子層吸附，不易出現(xiàn)解吸現(xiàn)象；在吸附過(guò)程中，伴隨著等量離子的交換，由靜電引力引起的離子交換吸附主要由離子的電荷決定。

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

隨著水源污染的日益嚴(yán)重，粉末活性炭在水處理工藝上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，國(guó)外對(duì)粉末活性炭的研究已經(jīng)深入到了具體污染物的程度。投加粉末活性炭可以與強(qiáng)化混凝形成互補(bǔ)，提高工藝對(duì)腐殖酸、苯酚等的去除效果[4，5]，將DOC的最大去除率由單獨(dú)使用混凝時(shí)的45%提高到76%，使UV254和CODMn的去除率分別達(dá)到99%和89%。Maria等還發(fā)現(xiàn)，先混凝后投加粉末活性炭進(jìn)行吸附的效果比混凝劑與粉末活性炭同時(shí)投加的效果要好。天然有機(jī)物（NOM）、濁度和絮體大小對(duì)粉末活性炭去除痕量目標(biāo)有機(jī)物有重要的影響，隨著濁度和鋁鹽混凝劑投加量的增加，形成了大尺寸的絮體，將粉末活性炭包裹，導(dǎo)致MIB的去除效果下降，而天然有機(jī)物的特性對(duì)粉末活性炭吸附效果的影響比絮體結(jié)構(gòu)的影響更大，主要是因?yàn)閷?duì)活性炭吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)和孔隙堵塞[6-8]，粉末活性炭中大孔和中孔比例的提高有助于解決孔隙堵塞的問(wèn)題。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)自20世紀(jì)60年代末期開始活性炭吸附技術(shù)的研究，已取得大量的研究成果，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了成功。傅金祥等研究了粉末活性炭應(yīng)急處理水源水苯酚污染的可能性，結(jié)果顯示粉末活性炭對(duì)苯酚的吸附性能符合Freundlich吸附等溫線，在苯酚的平衡質(zhì)量濃度為0.002mg/L時(shí)，粉末活性炭對(duì)其吸附容量為1.46mg/g，粉末活性炭吸附20min即達(dá)到吸附容量的90%以上[9]。蔣曉風(fēng)等以樂(lè)果、鄰苯二甲酸二乙酯、苯和甲醛為目標(biāo)有機(jī)物，研究了粉末活性炭對(duì)目標(biāo)污染水源水的處理效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉末活性炭對(duì)前三種污染物的去除效果較好，而對(duì)于甲醛類極性小分子即使增加粉末活性炭的投量也不能達(dá)到理想的去除效果[10]。粉末活性炭對(duì)硝基氯苯和2，4二硝基氯苯的吸附符合假二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在5-25℃的范圍內(nèi)吸附能力隨著溫度的降低而增強(qiáng)[11]。陳蓓蓓等利用中試裝置研究了阿特拉津突發(fā)污染的處理措施，結(jié)果發(fā)現(xiàn)投加粉末活性炭可有效去除阿特拉津，當(dāng)粉末活性炭投量為50mg/L時(shí)，可使初始濃度為0.2mg/L的阿特拉津降到0.002mg/L的標(biāo)準(zhǔn)以下；高錳酸鉀與粉末活性炭聯(lián)用比單獨(dú)使用粉末活性炭的效果略有改善但不顯著，預(yù)氯化會(huì)降低粉末活性炭對(duì)阿特拉津的去除率[12]。2005年的松花江硝基苯污染事件中，粉末活性炭為保障供水安全發(fā)揮了重要的作用。趙志偉等針對(duì)受硝基苯污染的松花江水，研究了5種不同的粉末活性炭去除硝基苯的性能，發(fā)現(xiàn)比表面積最大、碘值和亞甲基藍(lán)值最大、同時(shí)水分和灰分含量較低的炭種對(duì)硝基苯的去除效果最好[13]；張振宇等進(jìn)行了粉末活性炭去除硝基苯的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)硝基苯超標(biāo)50倍以上時(shí)，投加80mg/L粉末活性炭，吸附時(shí)間不低于2h，可將出水硝基苯含量控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下，并具有很高的穩(wěn)定性[14]。

3 結(jié)束語(yǔ)

粉末活性炭具有設(shè)備投資小，價(jià)格便宜，吸附速度快，對(duì)突發(fā)性水質(zhì)污染適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。應(yīng)用粉末活性炭吸附技術(shù)應(yīng)對(duì)突發(fā)性有機(jī)物水污染事件，保障城市飲用水安全，有著廣闊的前景。在使用時(shí)處理好炭種選擇、投加點(diǎn)、投加方式等問(wèn)題，對(duì)于不同的水質(zhì)，最佳粉末活性炭處理工藝的確定，主要應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M手段或根據(jù)已有相似水質(zhì)水量的現(xiàn)有工藝的經(jīng)驗(yàn)獲得。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬軍，李圭白.高錳酸鉀的氧化助凝效能研究[J].中國(guó)給水排水， 1992，8（4）：4-7

[2] 金偉， 李懷正， 范瑾初. 粉末活性炭吸附技術(shù)在水廠中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題[J].給水排水， 2001， 27（10）：11

[3] 王琳，王寶貞.飲用水深度處理技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2002