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活性炭过滤器结构对水质化学安全 性性 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 表表 1 实验期间活性炭柱进水水质实验期间活性炭柱进水水质 紫外吸 光度 uv254 c m 1 高锰酸 盐指数 mg l 三卤甲 烷生成势 g l m thmfp 浊 度 ntu 余 臭氧量 mg l aoc g l m 0 026 1 60 2 3 0 1 0 5 46 1 2 分析项目及方法 分析项目与方法见表 2 表表 2 分析项目与方法分析项目与方法 序 项 目 测 定 方 法 序 项 目 测 定 方 法 号 1 孔容积 cm3 g gb t 7702 20 1997 2 2 比表面积 m2 g gb t 7702 21 1997 3 3 zeta 电位 mv js946 型微电 泳仪 4 紫外吸光度 cm 1 uv254 表示 5 高锰酸盐指数 mg l gb5750 85 4 6 总有机炭 toc mg l gb5750 85 4 7 g l m 三卤甲烷生 成势 thmfp gb5750 85 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 表表 3 活性炭滤柱出水水质化学安全性指标 平均值 活性炭滤柱出水水质化学安全性指标 平均值 活性 炭编号 uv254 去除率 高锰酸盐指 数去除率 toc 去除率 thmfp 去除率 bac1 66 54 100 43 bac2 86 65 100 0 bac3 88 71 97 7 bac4 82 66 80 26 bac5 78 65 27 39 bac6 54 51 210 809 平均 值 76 62 32 154 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 表表 4 不同活性炭的比表面积和孔容积不同活性炭的比表面积和孔容积 活性 炭编号 比表面积 m2 g 孔容积 ml g bac1 1 114 0 5790 bac2 1 091 0 6480 bac3 1 328 0 8363 bac4 1 100 0 5636 bac5 1 027 0 5489 bac6 917 5 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 表表 5 活性炭不同孔径孔容积的分布 活性炭不同孔径孔容积的分布 nm 活性 炭编号 2 nm 2 5 nm 5 10 nm 10 20nm 20 30nm 30 50nm 50 100nm bac1 0 197 0 100 0 021 0 012 0 006 0 002 0 004 活性 炭编号 2 nm 2 5 nm 5 10 nm 10 20nm 20 30nm 30 50nm 50 100nm bac3 0 386 0 297 0 023 0 014 0 006 0 005 0 006 bac4 0 166 0 094 0 021 0 012 0 004 0 005 0 006 bac5 0 191 0 104 0 022 0 010 0 004 0 005 0 005 bac6 0 139 0 058 0 025 0 007 0 002 0 001 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 表表 6 不同活性炭的表面性质不同活性炭的表面性质 活性 炭编号 zeta 电位值 最大正电 最大 负电 mv ph 值 过滤 未过 滤 bac1 4 7 3 48 8 89 9 07 bac2 14 57 5 16 7 74 7 85 bac3 11 51 1 92 9 1 9 18 bac4 14 33 14 13 8 41 8 51 bac5 5 73 5 12 8 35 8 64 bac6 4 3 3 48 8 58 8 73 分析结果显示 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 表表 7 相关性分析结果相关性分析结果 项 目 uv254 cm 1 高锰酸 盐指数 mg l toc mg l thmfp g l m 比表面积 m2 g 0 5148 0 5574 0 5270 0 3950 总孔容积 cm3 g 0 5853 0 6210 0 4404 0 3425 项 目 uv254 cm 1 高锰酸 盐指数 mg l toc mg l thmfp g l m zeta 电位 绝对值 mv 0 6573 0 6080 0 3171 0 2370 ph 值 过滤 后 0 0484 0 0057 0 0010 0 0107 ph 值 未过 滤 0 0731 0 0178 0 0037 0 0088 孔容积 2 nm 0 4504 0 4979 0 2575 0 1936 孔容积 2 5 nm 0 4952 0 5612 0 2453 0 1851 孔容积 5 10 nm 0 7848 0 6170 0 8746 0 9450 孔容积 10 20 nm 0 6727 0 5596 0 8548 0 6672 孔容积 20 30 nm 0 3367 0 2171 0 7813 0 5954 孔容积 30 50 nm 0 9115 0 8806 0 4300 0 6068 项 目 uv254 cm 1 高锰酸 盐指数 mg l toc mg l thmfp g l m 孔容积 50 100 nm 0 9611 0 8684 0 7812 0 7623 为了寻求在活性炭结构和水质安全性的内