粉末活性炭在水处理中的应用

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活性炭是一种非极性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。近几年又发展了球状活性炭，浸透型活性炭和高分子涂层活性炭等新的品种。主要成分除炭以外还含少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。其具有巨大的比表面积(通常比表面积高达500～1700 m2/g)和特别发达的微孔，吸附性能和化学稳定性良好，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。

活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力。根据吸附的双速率扩散理论认为，吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两阶段构成的双速过程，迅速扩散在数小时内即完成，发挥了60%－80%活性炭的吸附容量。迅速扩散是溶质分子在碳粒内沿径向均匀分布的阻力小的大孔隙中扩散的过程。这些大孔隙产生径向的扩散阻力。当分子从大孔进一步进入与大孔相通的微孔中扩散时，由于受到狭窄孔径所产生的很大阻力，从而极为缓慢。微孔也是在碳粒内均匀分布，但不构成径向的扩散阻力。影响粉末活性炭吸附的因素涉及溶质分子极性、分子量大小、空间结构，这一点取决于水源水质的特征。活性炭对不同的物质分子具有选择吸附性。

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投加粉末活性炭后，水体相当部分有机物得到去除，水体中胶状物质含量减少，表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上，有利于絮体的架桥，能改善絮体的结构。除有良好的去除有机污染能力，同时还具有良好的助凝作用，使出水CODcr、色度、浊度大幅度下降。同时活性炭对水中的致癌物与致突变物及其含酚化合物均有良好的去除效果。

粉末活性炭对人工合成化学物的吸附去除主要取决于该化合物的类型。在选择投加点时，要有充足的搅拌条件，使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触；尽量延长粉末活性炭与水体接触吸附时间，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率；选取粒径小和中孔较发达的木质粉末活性炭，使同等重量的活性炭吸附面积相对大，提高活性炭对有机物的吸附效能；尽量减少水处理药剂对吸附的干扰(如氯、高锰酸钾、混凝剂等)；根据投加量的多少、场地条件选取干式或湿式投加。

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国外利用粉末活性炭去除水中有机物、除色、除嗅味物质己取得成功的经验与较好的去除效果。如上世纪２０年代美国芝加哥，已成功利用粉末活性炭与慢砂过滤工艺相结合，防预了饮用水的氯酚污染；在东普鲁士早已利用粉末活性炭消除季节性的原水藻类异味等。认为虽然颗粒活性炭能保证良好的工艺性，但吸附循环的较短时间仍是粉末活性炭的优点。国内利用粉末活性炭去除污染物正处于研究之中，目前实际的应用仍然不多。粉末活性炭的投加量与水的浊度、臭味物质的浓度有关，投加量应根据水质的特点试验确定。研究的关键是如何根据自身企业的实际情况，致突变污染物的组成，不同水源水厂不同工艺配置的特点，进行大量的室内外试验，寻找相适应的投加工艺和投加碳的品种，以期建立相对经济、简单易行的投加粉末活性炭工艺。
　　一、粉末活性炭的净水效能研究
　　粉末活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力。根据吸附的双速率扩散理论认为，吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两阶段构成的双速过程，迅速扩散在数小时内即完成，发挥了６０％－８０％活性炭的吸附容量。迅速扩散是溶质分子在碳粒内沿径向均匀分布的阻力小的大孔隙中扩散的过程。这些大孔隙产生径向的扩散阻力。当分子从大孔进一步进入与大孔相通的微孔中扩散时，由于受到狭窄孔径所产生的很大阻力，从而极为缓慢。微孔也是在碳粒内均匀分布，但不构成径向的扩散阻力。影响粉末活性炭吸附的因素涉及溶质分子极性、分子量大小、空间结构，这一点取决于水源水质的特征。活性炭对不同的物质分子具有选择吸附性。
0 D4 N1 [" }" S　　（一）投加工艺的选择
6 G6 H6 \4 L1 s2 C- h　　国外专家曾对粉末活性炭的应用情况进行分析研究，认为粉末活性炭对人工合成化学物的吸附去除主要取决于该化合物的类型。在选择投加点时，必须考虑混合程度和处理接触时间，尽量减少水处理药剂对吸附的干扰。根据国内某水厂近年应用粉末活性炭的经验认为，对于有生活污水、工业污水的排放，造成水体富营养化，导致水体藻类等微生物急剧繁殖等，属于污染较严重、较为复杂的水源；枯水期时常散发成分复杂的异臭、异味，再加上取水河段为潮感河流，污水回荡时间长，污染造成的危害较大。选取投加粉末活性炭工艺时，主要考虑：
1 a% J/ K2 x7 [+ [  |　　（１）投加点要有充足的搅拌条件，使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触。
　　（２）尽量延长粉末活性炭与水体接触吸附时间，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率。
7 f( i( [$ y( l2 A/ g　　（３）尽量选取粒径小的粉末活性炭，使同等重量的活性炭吸附面积相对大；选取中孔较发达的木质活性炭，力求提高活性炭对有机物的吸附效能。
　　（４）尽量减小水处理过程中的化学药品干扰，如氯、高锰酸钾、混凝剂等。
9 K" J7 Y" p0 K% K3 X) {7 M* N2 D　　（５）要根据投加量的多少、场地条件选取干式或湿式投加。
　　（６）根据水质污染状态确定投加量。投加量从５－３０ｍｇ／Ｌ不等。某水厂投加粉末活性炭工艺如下：
# g0 K2 |$ U9 E2 u9 H　　（二）投加粉末活性炭明显改善出水水质
　　（１）投加粉末活性炭对去除色度有明显效果。色度的去除有报道可达７０％，色度低表明去除有机物的效率高，除铁、锰的效果好。但去除色度的效果并没有和投加活性炭量成正比，其复杂的机理，还有待下一步研究。
! r% V  l% W4 J8 k　　（２）投加粉末活性炭对去除嗅味有明显效果。南方某水体的富营养化水体不仅是藻类繁殖和杀灭过程产生的异臭，还面对复杂的工业排污污染，水体长期酚类物质的异常浓度所引起的异臭。由于致臭物质的动态性和不确定性，故臭味的定量分析成为十分艰难的课题，设想要经过多年对特定水体的调查研究，设立相关的数学模型，设立相应的分析方法，才能逐步解决。目前臭味的检测一般是用人的感官去鉴定，人为的误差较大。除臭是粉末活性炭去除污染物的一个重要的综合评价指标，也是供水行业目前面临的确保饮用水安全的极其重要、难度相当大的感官指标。
　　（３）投加活性炭有助于去除阴离子洗涤剂。国内外化工行业早已有利用粉末活性炭，来净化去除工业废水中的洗涤剂的工艺。也是粉末活性炭去除较大分子合成有机物的一个评价指标。
* z/ [6 N8 E" s4 F　　（４）投加活性炭有助于对藻类的去除。投加了粉末活性炭阻隔了藻类的光吸收，同时在浊度较低的水源中有明显的助凝作用，有助于在混凝沉淀中去除藻类。如应用投加粉末活性炭、聚丙烯酰胺助凝、高锰酸钾氧化的联合协同作用，严格控制沉淀池出水浊度为１ＮＴＵ以下，则藻类的去除率可高达９５％－９８％。
1 m9 D& ?1 Y+ w' R3 N. \  Q. f　　（５）投加粉末活性炭使化学耗氧量（ＣＯＤｍｎ和ＣＯＤｃｒ）、五日生化需氧（ＢＯＤ５）量大大降低，这些与水体有机污染程度正相关的表征指标的下降，表明了水体有毒有害物质的去除程度。
　　（６）投加粉末活性炭对酚类的去除有良好的效果。上世纪30年代，国外已有采用粉末活性炭吸附焦化厂废水中苯酚的工艺。根据水厂的应用经验，认为在原水挥发性酚在０．００５ｍｇ／Ｌ以下，投加粉末活性炭２０ｍｇ／Ｌ以下，可以有效地去除；若原水挥发性酚在０．００５ｍｇ／Ｌ以上，０．０１ｍｇ／Ｌ以下，可明显减低出厂水挥发性酚含量；但原水挥发性酚大于０．０１ｍｇ／Ｌ时，单靠投加粉末活性炭，难以得到良好的去除效果。粉末活性炭对酚类的去除效果，是综合评价吸附能力的重要指标，对于酚类污染严重的水体尤为重要。
　　（７）投加活性炭粉时出水浊度的影响。投加活性炭后由于活性炭比重大，并具有良好吸附性能，吸附在絮状物上，增加絮状物的比重，使水中相当部分有机物得到去除，具有良好的助凝性能。对于某浊度低，絮状物由于有机胶体过多而轻浮的水体，助凝效果较显著。投加粉末活性炭后，沉淀池、滤池出水浊度大幅度下降，自来水水质大幅度提高。沉淀池出水浊度下降近６０％，出厂水出水浊度下降近７０％。但粉末活性炭投量大时，会发生微小碳粒穿透滤池的现象，影响出水浊度，所以当投加量大时，要严格控制好滤速和滤池出水浊度。
! J7 m5 A0 g/ m0 r" i　　（８）投加粉末活性炭对水体致突变性的影响
　　水体致突变性用Ａｍｅｓ试验检验，试验菌种为ＴＡ９８、ＴＡ１００，用ＸＡＤ树脂吸附水样中致突变有机物，洗脱物用平皿渗入法作三个浓度检验，用突变菌落数和对应的受试物浓度作回归曲线，以突变菌落数为自发回变菌落数两倍时的对应水样体积作为该水样的最低致突变剂量。比较各水样的最低致突变剂量可知其所含致突变有机物的多少。
　　某水厂水源常年致突变试验呈阳性，常规处理加氯消毒后致突变性一般会增加；投加粉末活性炭后，首次出现出厂水致突变为阴性。这不得不归功于粉末活性炭对有机污染物的有效去除，从而证明投加粉末活性炭，是常规工艺改善饮用水水质的简捷途径。
' ]! x5 l4 F) [6 c) I8 [( C4 t2 Q　　投加粉末活性碳后，水体相当部分有机物得到去除，水体中胶状物质含量减少，表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上，有利于絮体的架桥，能改善絮体的结构。所以对浊度较低、污染严重的水体，投加粉末活性炭除有良好的去除有机污染能力，同时还具有良好的助凝作用，使出水水质得到大幅度提高。是一种投资相对小、收效快，尤其是对于规模较大的旧水厂，是处理污染水源的一种可靠的净化工艺。

二、粉末活性炭的吸附性能评价研究
7 d9 t4 l$ P4 Y# [4 N% f4 t　　另一方面，对于吸附剂粉末活性炭，其内表面化学结构、比表面积可以影响吸附能力。在实际生产应用中还有吸附速率的问题，活性炭颗粒的孔隙大小、粒径分布决定了溶质分子向碳粒内部扩散的速度。所以活性炭的吸附能力和吸附速率两方面决定了活性炭的质量。因此如何评价选择活性炭的种类和质量，如何根据水源水质选择合适的碳种和投加量，成为生产中亟待研究解决的重要课题。
　　国内一般主要采用碘值、亚甲蓝值来评价活性炭的吸附性能。但是生产实践和经验都证明仅采用这两个指标不能全面评价活性炭，与实际的吸附效果有所差距。因此采用这些指标判断活性炭的效能只有部分理论意义，不能全面、准确地反应实际吸附状况。

（一）目前评价水处理粉末活性炭的指标存在的问题
　　经过研究发现：碘值、亚甲蓝值只能够表明活性炭颗粒中细小孔径的比表面积大小，但是在实际生产中有吸附速率的问题，即净水工艺中吸附时间是有限的，水处理中应用的粉末活性炭远未达到完全吸附平衡。活性炭颗粒内部中等孔隙是有机物分子的进入通道，一般认为活性炭的中等孔隙越发达越有利于吸附动力学平衡，所以中孔是否发达决定了吸附速率。为了结合实际应用，我们不仅考虑粉末活性炭的总吸附比表面积（也就是碘值、亚甲蓝值等指标），还要判断粉末活性炭颗粒内部的孔径分布是否容易达到快速吸附，即明确转化为如何评价活性炭的孔径分布是否合理。
4 P( ?9 |; J, Z! u3 ?( R　　进一步研究发现，采用一些具有特定立体空间结构的有色大分子可以表征活性炭的孔径分布。同时这些物质可以采用一定的分析方法精确定量。采用这一系列的分子量阶梯排列的吸附质来评价粉末活性炭的综合性能，与水厂生产情况和实际水样吸附效果相一致。
（二）通过研究分析寻找水体特定的污染表征物，制定相应的评价方法。
　　随着试验深入，采用某水源广泛存在的一种典型有机污染化学工业产品标样来作为吸附质进行试验。这种酚类物质分子量适中，中等极性，分子空间结构较大，所以可以很好地代表水中的较复杂有机分子。
　　采用综合评价方法来衡量活性炭的性能：采用碘值、亚甲蓝吸附值评价粉末活性炭的微孔比表面积；采用一些具有特定结构的大分子表征活性炭的中孔发达情况；采用一种酚类标样作为复杂有机物质的代表来确定活性炭的吸附能力，通过三方面综合评判可以更加准确和客观。
　　吸附特定大分子有机物，对于木质碳而言，２５０目的吸附效果比200目提高１０．１％，３２５目的比２００目提高２５．３％；对于煤质而言，２５０目的吸附效果比２００目提高６６．２％，３２５目的比２００目提高１０１．５％。对于木质和煤质活性炭吸附特定大分子有机物效果比较，木质远远优于煤质。
# |, C$ c1 B: M  q  J  c1 t　　 吸附特定天然有机物，对于木质碳而言，250目的吸附效果比２００目提高４９．２％，３２５目的比２００目提高６１．９％；对于煤质而言，２５０目的吸附效果比２００目提高４８．０％，３２５目的比２００目提高５６．０％。以这两种木质和煤质活性炭吸附特定天然有机物比较，木质远远优于煤质，吸附数量超过１-２倍。
  y- r, g- I2 k* E: j5 F: g　　试验结果表明：ｌ）木材、果核为原料生产的活性炭与无烟煤为原料生产的活性炭相比，中孔数量较多，从吸附性能角度看，一般木质、果核类活性炭较适合于某重污染水源，去除以酚类为主的致臭污染物水处理应用。煤质碳由于比重较大，相对用于助凝去除有机物和价格上有优势，尤其是对于不是以酚类为主的污染源的吸附流程较短的水厂。通过研究认为粉末活性炭的吸附能力与粒径相关，粒径越小，比表面积越大，吸附越强；但粒径过小，易于穿透滤层，引起用户不满。根据生产应用经验认为，如在吸水口投加的水厂，为了充分利用粉末活性炭的吸附能力，宜采用目数大于２５０目的粉末活性炭；但同时必须严格控制沉淀池出水浊度为１ＮＴＵ左右，严格控制好滤池滤速。投加量较大的和在混凝沉淀后投加的水厂，宜采用小于２００目的粉末活性炭，以确保自来水水质。
三、小结
3 y3 t- W5 |8 H2 v1 s: G" t　　随着净水深度处理工艺的推广和活性炭生物滤池的应用，虽然颗粒活性炭表现出良好的工艺性，但粉末活性炭吸附循环时间较短，投加方式较为简捷，费用较低，可根据水体污染情况随时更换碳种，仍是其突出的优点。对于固有工艺的水厂改善出水水质，对于突发污染事故的迅速处理，是颗粒活性炭无法取代的功能。所以，随着国内水体环境的不断恶化，水质要求的不断提升，在水处理行业应用粉末活性炭的范围将会不断扩大。逐渐从迫不得已的应急事故处理应用，转向为提高和改善水质的应用。粉末活性炭在水处理的应用会越来越广，将为防治污染，改善饮用水水质，做出重要的贡献。
! @* e. _: v8 Z( G; G" L& z　　如何根据不同的处理水体的污染特征物，选用相适应的活性炭类型，选用恰当的投加工艺，是水处理行业的研究重点和难点。国外对净水处理活性炭要求较高，而国内相对显得跟不上。对于活性炭去除水体异臭的重要指标ＡＢＳ值和酚值研究不多，再加上国内水体污染物比国外的复杂得多，给处理对象的确定带来巨大的困难。由于处理对象的复杂，使应用水平提高受到制约。以上的研究经验和体会供同行商讨。

活性炭参考资料：www.huoxingtan8.org
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