水處理活性炭的選擇指標問題

1、水處理活性炭的選擇指標問題 摘要： 研究 發(fā)現(xiàn)，活性炭的比表面積、碘值、亞甲基藍吸 咐值等吸咐性能指標與活性炭對天然水中有機物的吸咐能力之間相關(guān)性能不好，在選擇去除天然水中有機物的活性炭時不能用這些指標。提出了采用活性炭對水中四種典型有機物(腐 殖酸、富里酸、木質(zhì)素、丹寧)的吸附容量和吸附速度作為正確選擇水處理用活性炭的指標，且在五種水質(zhì)(長江、黃浦江、太湖、淮河、黃巢湖)中得以驗證。關(guān)鍵詞：水處理 活性炭 選擇指標活性炭吸附性能一般都采用比表面積、碘值、亞甲基藍吸附值、ccl4吸附值等指標(在此簡稱一般吸附性能指標)來表示。通常認為，這些指標高的活性炭就是吸附性能好的活性炭，所以習(xí)慣上都是根

2、據(jù)這些一般吸附性能指標來選擇水處理用活性炭。1 問題 的提出1994年在為某廠水處理系統(tǒng)(淮河水源)選擇活性炭時，首先測定了活性炭的這些一般吸附性能指標。參選的三種活性炭中，3#炭比表面積最大，碘值、亞甲基藍吸附值最高，是吸附性能最好的活性炭。但在實際運行試驗時(每種活性炭取350g裝入505的吸附柱中，以15m/h流速通水，并聯(lián)平行運行，監(jiān)測出水的codmn及 e260值至去除率20%作為失效，下同)，發(fā)現(xiàn)情況異常(見表1)。表1 三種待選炭在液河水質(zhì)下運行數(shù)據(jù)活性炭編號1#2#3#失效前運行天數(shù)（d）161610周期制水量（l）570060004000試驗表明，2#活性炭運行周期最長，周期

3、制水量最多。而一般吸附性能指標最高的3#椰子殼活性炭，其周期制水量僅為2#活性炭的2/3。無疑，實際使用應(yīng)選用2#活性炭，而不是3#炭。選擇了九種國產(chǎn)活性炭，在黃浦江水、太湖水、浙江黃巢湖水的水質(zhì)條件下進行試驗。九種炭同樣測定其一般吸附性能，并選出六種進行現(xiàn)場運 行試驗。一般吸附性能指標測試結(jié)果列于表2，三種水質(zhì)條件下的現(xiàn)場運行結(jié)果列于表3。表2 九種活性炭的一般性能指標種類1#2#3#4#5#6#7#8#9#比表面積（m2/g）langmuir10191041.661685.771367.35830.281528.721245.65989.621195.96bet728.17744.4811

4、98.60975.20588.481073.03895.30700.13857.15碘值（mg/g）893922101110841013112298310941106ccl4吸附值（%）33.039.2073.8152.8036.2964.4848.6545.9546.20亞甲基藍吸附值（mg/g）94.1107.5221.7174.7134.4188.110294.1134.4孔容積總孔0.43710.43870.62660.57860.60360.55980.46750.39010.5202大孔0.00000.01200.03920.01900.00000.06720.01320.0324

5、0.057過渡孔0.23530.17610.21300.24390.47100.26960.09480.17290.2033微孔0.23790.25060.37440.31570.14700.22300.35950.18480.3112孔表面積（m2/g）大孔8.91135.285102.6154.990.0000170.9935.39683.95421.644過渡孔231.61194.76322.26270.65302.13434.18122.27233.16197.31微孔487.64514.43773.72469.56302.52467.87737.63383.02638.19表3 現(xiàn)場

6、運行數(shù)據(jù)匯總活性炭編號太湖水質(zhì)黃浦江水質(zhì)浙江黃巢湖水質(zhì)運行天數(shù)（d）以codmn失效時周期制水量（l）以e260失效時周期制水量（l）運行天數(shù)（d）以codmn失效時周期制水量（l）以e260失效時周期制水量（l）運行天數(shù)（d）以codmn失效時周期制水量（l）以e260失效時周期制水量（l）1#8470041002#136100470012720080003#2311400114002096001240013610042005#24127001220025100001240014660040007#62600180082000400027503009#20930060002284001240

7、0733002700比較表2、3的數(shù)據(jù)同樣可以看出，一般吸附性能指標最好的活性炭(3#)運行周期并不是最長的。而運行周期最長、制水量最多的5#炭其比表面積僅830m2/g，一般吸附性能指標也處于中等水平。2 原因 分析上述試驗是在四種不同水質(zhì)條件下進行的，活性炭也基本上包括了國內(nèi)水處理用活性炭的主要品種，試驗結(jié)果卻是一致的，即活性炭一般吸附性能指標(比表面積、碘值、亞甲基藍 吸附值、四氯化碳吸附值)與其對天然水中有機物吸附性能之間相關(guān)性不好。由此認為：若用這些指標來選擇水處理用活性炭，可能會導(dǎo)致錯誤的選擇，帶來巨大的浪費。造成這種現(xiàn)象的原因，主要是由于天然水中有機物的分子體積(分子量)遠遠大于

8、一般吸附性 能測試中所用的碘、亞甲基藍、四氯化碳等的分子體積。活性炭微觀結(jié)構(gòu)中有大孔(100 nm)、過渡孔(2100nm)和微孔(2nm)，構(gòu)成活性炭比表面積的主要是微孔?；钚蕴课绞且环N表面現(xiàn)象，吸附量除了與比表面積多少有關(guān)外，還要考慮吸附的動力因素，即吸附質(zhì) 能 否順利到達活性炭的微孔表面。曾有人通過 計算 認為，當吸附質(zhì)直徑大于孔道直徑1/3以上時，被吸附質(zhì)運動就受阻，吸附量下降。天然水中有機物大多以腐殖質(zhì)形式存在，主要包括四大組分：腐殖酸、富里酸、木質(zhì)素、丹寧。這些物質(zhì)的分子量大約為幾百至幾十萬，比 碘、亞甲基藍、四氯化碳的分子量大得多。從這一點進行分析，活性炭對天然水中有機物的吸附

9、主要受過渡孔 影響 ，而不是受微孔支配。這從表2中九種活性炭的孔容、孔面積可看出，過渡孔最多的是5#活性炭，它也正是現(xiàn)場運行試驗中對水中有機物吸附最好的活性炭?；钚蕴吭趯嶋H天然水質(zhì)中吸附量多少(即運行周期長短)與過渡孔多少有關(guān)，而與微孔(比表面積)多少卻相關(guān)性不好。3 活性炭篩選新 方法 的驗證由于實際水質(zhì)條件下的動態(tài)運行試驗周期長，需要連續(xù)運轉(zhuǎn)，工作量大，不適合大批量選炭 。據(jù)此，提出了用天然水中四種有機物(腐殖酸、富里酸、木質(zhì)素、丹寧)作為測試基質(zhì)(吸附質(zhì))，用活性炭對它們的吸附容量和吸附速度作為指標，借以反映活性炭對水中有機物的 吸附性能好壞，用于水處理用活性炭的篩選。試驗表明，這種方法

10、測定結(jié)果與實際水質(zhì)條件下的動態(tài)運行試驗結(jié)果一致，可以反映活性炭對天然水中有機物吸附性能的差異(見圖14 和表4)。試驗所用四種吸附質(zhì)中的腐殖酸和富里酸從某水處理系統(tǒng)受污染的陰離子交換樹脂中提取，木質(zhì)素從造紙廢水中提取，丹寧為試劑。 表4 三種活性炭的吸附速度吸附質(zhì)腐殖酸富里酸木質(zhì)素丹寧活性炭1#2#3#1#2#3#1#2#3#1#2#3#4min內(nèi)平均吸附速度mg/(g.min）615256478520256可以看出，這三種活性炭對天然水中四種有機物的吸附性能最好的是2#，其次是1#，最差為3#，該順序與表1中三種活性炭在實際水質(zhì)條件下運行試驗結(jié)果是一致的，二者相關(guān)性很好。類似的方法在長江、太

11、湖、黃巢湖水質(zhì)下的擴大試驗中也同樣得到驗證，試驗結(jié)果列于表 5、6。表5 第一次擴大試驗時不同試驗方法測得的活性炭吸附性能名次順序?qū)φ栈钚蕴烤幪柌牧弦话阄叫阅苤笜伺帕许樞驅(qū)λ兴姆N典型有機物吸附容量和吸附速度排列名次長江水質(zhì)下運行試驗排列名次比表面積碘值亞甲基藍吸附值四氯化碳吸附值腐殖酸富里酸木質(zhì)素丹寧1#煤5539102#椰殼117111111113#果殼106983334#椰殼21212（2）（2）（2）2（2）25#山桃殼85796#杏殼74361（1）（1）（1）1（1）17#椰殼33651098#果殼910109#椰殼12127610#椰殼（日本）688788411#椰殼（美國）4

12、44注 （）內(nèi)為吸附速度排列順序表6 第二次擴大試驗時不同試驗方法測得的活性炭吸附性能名次順序?qū)φ栈钚蕴烤幪柌牧弦话阄叫阅苤笜伺帕许樞驅(qū)λ兴姆N典型有機物吸附容量和吸附速度排列名次實際水質(zhì)運行試驗排列名次比表面積碘值亞甲基藍吸附值四氯化碳吸附值腐殖酸富里酸木質(zhì)素丹寧黃浦江水太湖水黃巢湖水1#山桃殼79794232#杏殼68573(3)443#椰殼1611523(3)42224#果殼343343(2)45#果殼95881(1)4(1)1(1)1(1)1116#煤2122817#椰殼47449(9)9(9)9(9)9(9)5558#煤83669#果殼52552(2)2(2)3(2)334注 （）

13、內(nèi)為吸附速度排列順序從表中可以看，采用四種典型有機物做吸附質(zhì)測得的不同活性炭吸附性能排列順序與實際水質(zhì)條件下運行試驗結(jié)果是一致的，而碘值等一般吸附性能指標的排列順序與運行結(jié)果不同。 至此已說明，在五種實際水質(zhì)下(長江、黃浦江、淮河、太湖、黃巢湖)用測量活性炭對天然 水中四種典型有機物吸附容量和吸附速度來選擇水處理用活性炭的方法是正確的。4 結(jié)論與討論活性炭一般吸附性能指標(比表面積、碘值、四氯化碳吸附值、亞甲基藍吸附值)與活性炭對天然水中有機物的吸附性能相關(guān)性不好，若用這些指標來選擇水處理用活性炭，會得 出錯誤的結(jié)果。其原因主要是由于天然水中天然有機物分子量巨大，分子體積大，活性炭對 其吸附很大程度上受過渡孔通道多少的 影響 。而活性炭對碘值、四氯化碳、亞甲基藍吸附則多在微孔進行，所以，吸附天然水中有機物的活性炭應(yīng)當關(guān)注其過渡孔的多少，而不應(yīng)單純追求微孔(比表面積)的多少。采用測量活性炭對水中四種典型有機物(腐殖酸、富里酸、木質(zhì)素、丹