活性炭濾芯凈水效果的影響因素研究

傅修軍， 楊 闖， 牛翰彬

(中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038)

活性炭濾芯凈水效果的影響因素研究

傅修軍， 楊 闖*， 牛翰彬

(中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038)

以TDS、pH和余氯3個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各種凈水濾料進(jìn)行比較與篩選，最終確定出煤質(zhì)活性炭和爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC258)為較佳凈水濾料。通過(guò)考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個(gè)影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。

活性炭濾芯；凈水效果；環(huán)境保護(hù)

飲用水作為戰(zhàn)略性資源，目前在水質(zhì)、水量及資源管理等方面存在著諸多問(wèn)題，且各種有毒有害物質(zhì)對(duì)水源的污染日益加重，飲用水安全已受到了嚴(yán)重威脅[1-3]。活性炭是一種多孔性碳素物質(zhì)，其內(nèi)部具有十分發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、一定的機(jī)械強(qiáng)度和巨大的比表面積，具有很強(qiáng)的吸附性能[4]。它能脫色、脫臭、脫硫，能選擇性地脫除液相或氣相中某些雜質(zhì)或組分，還能吸附某些催化劑，是良好的催化劑載體[5]。因此，活性炭有著非常廣泛的用途。其中，最重要的應(yīng)用是在水處理方面，活性炭可有效去除自來(lái)水中余氯、異色、異味、部分有機(jī)物及其他有害物質(zhì)，改善口感。本研究充分利用了活性炭?jī)?yōu)良的凈水性能，同時(shí)摻入一定比例的樹(shù)脂濾料，二者的協(xié)同作用對(duì)改善自來(lái)水pH、溶解性總固體、總硬度和游離氯等指標(biāo)具有很好的效果。通過(guò)考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個(gè)影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 濾芯濾料的選擇

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的濾料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用濾料

1.2 活性炭的技術(shù)指標(biāo)分析

表2為各種活性炭濾料的技術(shù)指標(biāo)分析結(jié)果。1#代表某國(guó)產(chǎn)濾芯中活性炭，2#代表某進(jìn)口濾芯中活性炭，3#代表椰殼活性炭，4#代表8×30目(8×600 μm)煤質(zhì)活性炭，5#代表12×40目(12×425 μm)煤質(zhì)活性炭。

表2 各種活性炭濾料的技術(shù)指標(biāo)分析結(jié)果

依據(jù)GB/T 7701.2-2008《煤質(zhì)顆?；钚蕴?jī)艋妹嘿|(zhì)顆粒活性炭》[6]判定，1#活性炭水分、亞甲藍(lán)吸附值、水溶物3項(xiàng)不合格，其余合格；2#活性炭水分、亞甲藍(lán)吸附值2項(xiàng)不合格，其余合格；3#活性炭碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、水溶物3項(xiàng)不合格，其余合格；4#活性炭和5#活性炭各項(xiàng)均合格。

1.3 濾芯的制作步驟

1) 對(duì)原始活性炭濾料進(jìn)行破碎、篩分，篩選出所需的粒度，將篩選出的活性炭用去離子水洗滌至無(wú)漂浮物及無(wú)黑水流出，并于110 ℃下干燥后備用；

2) 將樹(shù)脂沖洗至出水呈無(wú)色備用，同時(shí)確定出濕樹(shù)脂的含水率(由于樹(shù)脂不能干燥保存，故需換算干濕樹(shù)脂之間的質(zhì)量)，經(jīng)處理后的樹(shù)脂作為濾料備用；

3) 按一定質(zhì)量比調(diào)配活性炭和樹(shù)脂，將稱好的活性炭與樹(shù)脂混合后填充到濾芯殼體中，即制作出濾芯。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)

1.4.1 溶解性總固體(TDS)

溶解性總固體(TDS)是溶解于水里的固體物質(zhì)的總量，以mg/L來(lái)顯示。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)TDS檢測(cè)筆來(lái)測(cè)試水樣中的TDS值，主要是通過(guò)檢測(cè)水的導(dǎo)電性來(lái)判斷水的純凈度。一般來(lái)講，導(dǎo)電性越好，水中的溶解物越多，測(cè)出來(lái)的TDS值就越高。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，TDS≤1 000 mg/L。

1.4.2 pH

通過(guò)pH計(jì)直接讀取水樣的pH數(shù)值。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，6.5≤pH≤8.5。

1.4.3 余氯

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)OTO余氯試劑滴定法測(cè)定水樣中余氯含量，單位mg/L。將本試劑滴4滴于20 mL水樣中搖勻，根據(jù)被測(cè)溶液的顏色變化，對(duì)照色別表，即可讀得相應(yīng)所測(cè)水樣的數(shù)值。自來(lái)水檢測(cè)，打開(kāi)水龍頭，自然流淌10 s左右，再取水樣。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，管網(wǎng)末梢水中游離余氯質(zhì)量濃度≥0.05 mg/L，凈化后水中余氯質(zhì)量濃度最好為0.0 mg/L。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)1.1中的濾料進(jìn)行單一或2種混合填充，制作出一系列A類和B類2種構(gòu)造的濾芯。凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，椰殼活性炭、漂萊特樹(shù)脂、爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC108DQ)和酸處理爭(zhēng)光樹(shù)脂均存在不足。最終確定以煤質(zhì)活性炭和爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC258)為濾料制作濾芯，考察了濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個(gè)因素對(duì)濾芯凈水效果的影響。

2.1 濾芯外殼構(gòu)造對(duì)濾芯凈水效果的影響

以A類和B類外殼構(gòu)造上的不同為研究對(duì)象，考察濾芯外殼構(gòu)造對(duì)濾芯凈水效果的影響。以A3#與B3#、A4#與B4# 2組濾芯為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。其中，A3#與B3#填充等質(zhì)量的8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭濾料，A4#與B4#填充等質(zhì)量的12×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭濾料。不同外殼下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同外殼下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，A3#與B3#、A4#與B4#雖然外殼構(gòu)造差異很大，但其凈水效果基本上相同。濾芯外殼構(gòu)造對(duì)TDS值的影響見(jiàn)圖1，故濾芯外殼構(gòu)造對(duì)濾芯凈水效果幾乎沒(méi)有影響。另外，自制濾芯與市售濾芯凈水效果的差異主要是因?yàn)楦髯运畛涞臑V料的不同。

圖1 濾芯外殼構(gòu)造對(duì)TDS值的影響

2.2 濾料配比對(duì)濾芯凈水效果的影響

將8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭進(jìn)行破碎、篩分，篩選出18×40目(12×425μm)的顆粒，然后對(duì)其進(jìn)行洗選、干燥，得到干凈的18×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭。以18×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭和爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC258)為濾料，按活性炭與樹(shù)脂的質(zhì)量比分別為8.0∶0.0、7.5∶0.5、7.0∶1.0、6.0∶2.0、5.0∶3.0和0.0∶6.0制作濾芯A19#、B13#、B14#、B12#、B15#和A24#，前5個(gè)濾芯填充濾料的總質(zhì)量為88 g，A24#填充濾料的總質(zhì)量為66 g。

表4為不同配比下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，當(dāng)濾料配比為8.0∶0.0，即填充單一活性炭濾料時(shí)，存在pH值過(guò)高的不足；當(dāng)濾料配比為0.0∶6.0，即填充單一樹(shù)脂濾料時(shí)，存在pH值過(guò)低和余氯去除不完全的不足；當(dāng)填充活性炭和樹(shù)脂的混合濾料時(shí)，隨著活性炭占比的減小(或樹(shù)脂占比的增大)，TDS值(濾料配比對(duì)TDS值的影響見(jiàn)圖2)和pH值均隨之降低；當(dāng)濾料配比為5.0∶3.0時(shí)，雖然TDS值降低幅度最大，但其pH仍存在偏低的不足；對(duì)余氯指標(biāo)而言，填充有活性炭濾料的濾芯(某國(guó)產(chǎn)和某進(jìn)口濾芯也填充有活性炭)均對(duì)余氯具有較好的去除效果，而僅填充樹(shù)脂的A24#濾芯只可部分去除余氯，說(shuō)明活性炭是一種去除余氯的理想濾材。綜合考慮檢測(cè)的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，濾料配比為7.5∶0.5、7.0∶1.0和6.0∶2.0等3個(gè)配比制作的濾芯均具有較好的凈水效果，且優(yōu)于市售某國(guó)產(chǎn)和某進(jìn)口濾芯的凈水效果。對(duì)比這3個(gè)配比濾芯的凈水效果，配比為7.5∶0.5的濾芯，其TDS指標(biāo)不及配比為7.0∶1.0的濾芯，配比為6.0∶2.0的濾芯，其pH指標(biāo)處于國(guó)標(biāo)限值的下限邊緣，故確定7.0∶1.0為本實(shí)驗(yàn)的最佳濾料配比。

表4 不同配比下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 濾料配比對(duì)TDS值的影響

2.3 活性炭粒度大小對(duì)濾芯凈水效果的影響

以8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭為原料，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、洗選、干燥等處理工序獲得干凈的8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)等不同粒度范圍的煤質(zhì)活性炭。將煤質(zhì)活性炭與爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC258)的質(zhì)量比設(shè)定為7.0∶1.0，考察活性炭粒度大小對(duì)濾芯凈水效果的影響。填充8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)活性炭的濾芯分別命名為A25#、A26#、B16#、A27#、A28#和B14#。不同粒度下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同粒度下凈水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，隨著活性炭粒度的減小(8×18>8×30>12×40>18×30>18×40>30×40)，TDS值總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)(活性炭粒度大小對(duì)TDS值的影響見(jiàn)第143頁(yè)圖3)，這說(shuō)明活性炭粒度大小對(duì)濾芯的凈水效果具有明顯影響。因?yàn)榛钚蕴苛６仍叫?，與樹(shù)脂粒度[18×50目(18×300μm)]越接近，其混合濾料填充的濾芯內(nèi)顆粒間的孔隙率越小，濾料與自來(lái)水的接觸就越充分，故對(duì)自來(lái)水的凈化效果也就越好。由于是同一來(lái)源的活性炭，活性炭與樹(shù)脂的配比又是一樣的，所以不同活性炭粒度制作的濾芯凈化后水樣的pH值較為接近。另外，表5中所有濾芯均對(duì)余氯具有較好的去除效果。與市售某國(guó)產(chǎn)和某進(jìn)口濾芯相比，活性炭粒度為12×40目(12×425μm)、18×30目(18×600μm)、18×40目(18×425μm)和30×40目(30×425μm)填充的濾芯均具有優(yōu)于二者的凈水效果。雖然活性炭的粒度越小凈水效果越好，但是粒度越小越不易篩選，且越容易產(chǎn)生黑炭粉?？紤]到活性炭粒度要方便易得，活性炭大生產(chǎn)中生產(chǎn)的凈化水用煤質(zhì)顆粒活性炭常要求為8×30目(8×600μm)和12×40目(12×425μm)2種粒度范圍，故本實(shí)驗(yàn)初步確定直接選用粒度為12×40目(12×425μm)的煤質(zhì)活性炭作為濾芯中的活性炭濾料。

圖3 活性炭粒度大小對(duì)TDS值的影響

2.4 第三方檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)將某國(guó)產(chǎn)、某進(jìn)口及部分自制濾芯委托大同市沃特水質(zhì)檢測(cè)有限責(zé)任公司對(duì)以其實(shí)驗(yàn)室(游離氯指標(biāo)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè))自來(lái)水為水源水的凈化前后水樣進(jìn)行第三方檢測(cè)，得到的第三方水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。pH、溶解性總固體、總硬度和游離氯的檢測(cè)方法及依據(jù)分別為(GB/T 5750.4-2006)中的5.1玻璃電極法、(GB/T 5750.4-2006)中的8.1稱量法、(GB/T5750.4-2006)[7]中的7.1乙二胺四乙酸二鈉滴定法和(GB/T 5750.11-2006)[8]中的1.2 3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺比色法，檢驗(yàn)結(jié)果依據(jù)GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[9]判定。

表6 第三方水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

由第三方水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果可知，送檢的自制濾芯B13#、B14#、B12#、A28#和A26#均對(duì)自來(lái)水具有良好的凈化效果，且B14#和B12#的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于市售某國(guó)產(chǎn)和某進(jìn)口濾芯?？梢?jiàn)，第三方水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告的結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)室自測(cè)結(jié)果總體上是吻合的。

3 結(jié)論

通過(guò)制作一系列A類和B類濾芯，以TDS、pH和余氯3個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各種凈水濾料進(jìn)行比較與篩選，最終確定出煤質(zhì)活性炭和爭(zhēng)光樹(shù)脂(ZGC258)為較佳凈水濾料。然后，通過(guò)考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個(gè)影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。得到的主要結(jié)論如下：

1) 濾芯外殼構(gòu)造對(duì)濾芯的凈水效果幾乎沒(méi)有影響，濾芯的凈水效果主要取決于所填充的濾料性質(zhì)，所用活性炭濾料應(yīng)滿足GB/T 7701.2-2008《煤質(zhì)顆?；钚蕴俊艋妹嘿|(zhì)顆粒活性炭》的技術(shù)指標(biāo)要求。

2) 自制濾芯B13#[7.5∶0.5,18×40目(18×425μm)]、B14#[7.0∶1.0,18×40目(18×425μm)]、B12#[6.0∶2.0,18×40目(18×425μm)]、A28#[7.0∶1.0,12×40目(12×425μm)]、A26#[7.0∶1.0,18×30目(18×600μm)]和B16#[7.0∶1.0,30×40目(30×425μm)]的凈水效果均優(yōu)于市售某國(guó)產(chǎn)和某進(jìn)口濾芯。為方便與大生產(chǎn)有效對(duì)接，經(jīng)綜合考慮，確定將濾料配比為7.0∶1.0、活性炭粒度為12×40目(12×425μm)作為最佳的制作工藝條件。

[1] 尹軍,譚學(xué)軍,趙可,等.飲用水深度處理技術(shù)若干研究進(jìn)展[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,21(2):7-13.

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Study on factors affecting the efficiency of water purification with activated carbon filter

FU Xiujun, YANG Chuang*, NIU Hanbin

(CRRC Datong Co., Ltd., Datong Shanxi 037038, China)

With three test items (TDS, pH and residual chlorine) as indicators of water quality evaluation, a variety of water purification filter materials were compared and selected, and then the coal-based activated carbon and Zhengguang resin (ZGC258) were eventually determined as the better water purification filter materials. By investigating three influence factors, including the filter shell structure, the ratio of filter materials and the particle size of activated carbon, the process conditions which made the activated carbon filters used for water purification better were determined.

activated carbon filter; water purification efficiency; environmental protection

2017-05-15

傅修軍，男，1987年出生，2014年畢業(yè)于燕山大學(xué)，碩士學(xué)位，工程師。研究方向：活性炭功能材料。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.49

TQ085；TQ424.1

A

1004-7050(2017)04-0140-04

*通訊作者：楊 闖，高級(jí)工程師。

環(huán)境保護(hù)