粉末活性炭吸附技术在饮用水处理上的研究进展

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【摘 要】粉末活性炭具有很强的吸附性能，对水中的色、嗅、味、有机物等去除效果明显。这里介绍了活性炭的制作、用途、分类和构成等，并对粉末活性炭在饮用水处理中的应用进行了阐述。
【关键词】粉末活性炭 饮用水 吸附
【中图分类号】 TQ424.1【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0044-01
1 粉末活性炭简介
活性炭可由含碳物质（如木材、锯末、椰壳、果壳、煤以及焦炭等）经炭化和活化后制成，经高温炭化和活化后的活性炭具有稳定的化学性能，能耐强酸或强碱，能经受住水浸、高温、高压的作用，且不易破碎[1]。根据其外观形状、制造方法及用途等不同，有多种分类方法。从外观形状上，活性炭可分为粉末活性炭、颗粒活性炭、破碎状炭等。作为多孔性吸附剂的活性炭基本上是非结晶性物质，它由微细的石墨状微晶和碳氢化合物部分构成。其固体部分之间的间隙形成孔隙，给予活性炭所特有的吸附性能。
活性炭具有多种机能的最主要原因在于其多孔性结构。活性炭中具有各种孔隙，不同的孔径能够发挥出与其相应的功能。微孔（孔隙直径50nm）主要是溶质到达活性炭内部的通道，还可以通过微生物在其中的繁殖，使无机的碳材料发挥生物质功能。
2 粉末活性炭在饮用水处理中的应用
自1929年美国芝加哥市一水厂用粉末活性炭去除嗅味开始，粉末活性炭用于给水处理已有80多年的历史，是水处理中最常用的吸附剂。其对水中的色、嗅、味去除效果明显，对农药、酚类和卤代烃等消毒副产物及其前体物均有较强的吸附能力，特别适合受突发性水污染影响及原水水质季节性变化较大的水厂 [2]。美国环保署有关饮用水标准的有机污染物指标中，有51项将活性炭应用列为最有效处理技术[3]。
粉末活性炭吸附水中溶质分子是一个十分复杂的过程，是由分子间力、化学键力和静电引力所形成的物理吸附、化学吸附和离子交换吸附综合作用的结果。活性炭对污染物质的吸附过程主要是物理吸附，其受活性炭的物理结构影响很大，如微孔数量的发达程度等。物理吸附是一个放热过程，不需要活化能，可在低温下进行，可以形成单分子层或多分子层吸附，在吸附的同时被吸附的分子由于热运动还会离开活性炭表面，出现解吸现象；活性炭在制造过程中形成的官能团，使活性炭也具备了化学吸附的性能，此过程需要大量的活化能，需要在较高的温度下进行。化学吸附具有选择性，只能形成单分子层吸附，不易出现解吸现象；在吸附过程中，伴随着等量离子的交换，由静电引力引起的离子交换吸附主要由离子的电荷决定。
2.1 国外研究进展
随着水源污染的日益严重，粉末活性炭在水处理工艺上的应用范围不断扩大，国外对粉末活性炭的研究已经深入到了具体污染物的程度。投加粉末活性炭可以与强化混凝形成互补，提高工艺对腐殖酸、苯酚等的去除效果[4，5]，将DOC的最大去除率由单独使用混凝时的45%提高到76%，使UV254和CODMn的去除率分别达到99%和89%。Maria等还发现，先混凝后投加粉末活性炭进行吸附的效果比混凝剂与粉末活性炭同时投加的效果要好。天然有机物（NOM）、浊度和絮体大小对粉末活性炭去除痕量目标有机物有重要的影响，随着浊度和铝盐混凝剂投加量的增加，形成了大尺寸的絮体，将粉末活性炭包裹，导致MIB的去除效果下降，而天然有机物的特性对粉末活性炭吸附效果的影响比絮体结构的影响更大，主要是因为对活性炭吸附点位的竞争和孔隙堵塞[6-8]，粉末活性炭中大孔和中孔比例的提高有助于解决孔隙堵塞的问题。
2.2 国内研究进展
我国自20世纪60年代末期开始活性炭吸附技术的研究，已取得大量的研究成果，并在实际应用中取得了成功。傅金祥等研究了粉末活性炭应急处理水源水苯酚污染的可能性，结果显示粉末活性炭对苯酚的吸附性能符合Freundlich吸附等温线，在苯酚的平衡质量浓度为0.002mg/L时，粉末活性炭对其吸附容量为1.46mg/g，粉末活性炭吸附20min即达到吸附容量的90%以上[9]。蒋晓风等以乐果、邻苯二甲酸二乙酯、苯和甲醛为目标有机物，研究了粉末活性炭对目标污染水源水的处理效果，结果发现粉末活性炭对前三种污染物的去除效果较好，而对于甲醛类极性小分子即使增加粉末活性炭的投量也不能达到理想的去除效果[10]。粉末活性炭对硝基氯苯和2，4二硝基氯苯的吸附符合假二级反应动力学，在5-25℃的范围内吸附能力随着温度的降低而增强[11]。陈蓓蓓等利用中试装置研究了阿特拉津突发污染的处理措施，结果发现投加粉末活性炭可有效去除阿特拉津，当粉末活性炭投量为50mg/L时，可使初始浓度为0.2mg/L的阿特拉津降到0.002mg/L的标准以下；高锰酸钾与粉末活性炭联用比单独使用粉末活性炭的效果略有改善但不显著，预氯化会降低粉末活性炭对阿特拉津的去除率[12]。2005年的松花江硝基苯污染事件中，粉末活性炭为保障供水安全发挥了重要的作用。赵志伟等针对受硝基苯污染的松花江水，研究了5种不同的粉末活性炭去除硝基苯的性能，发现比表面积最大、碘值和亚甲基蓝值最大、同时水分和灰分含量较低的炭种对硝基苯的去除效果最好[13]；张振宇等进行了粉末活性炭去除硝基苯的生产性试验研究，结果发现当硝基苯超标50倍以上时，投加80mg/L粉末活性炭，吸附时间不低于2h，可将出水硝基苯含量控制在国家标准以下，并具有很高的稳定性[14]。
3 结束语
粉末活性炭具有设备投资小，价格便宜，吸附速度快，对突发性水质污染适应能力强的特点。应用粉末活性炭吸附技术应对突发性有机物水污染事件，保障城市饮用水安全，有着广阔的前景。在使用时处理好炭种选择、投加点、投加方式等问题，对于不同的水质，最佳粉末活性炭处理工艺的确定，主要应通过试验模拟手段或根据已有相似水质水量的现有工艺的经验获得。
参考文献
[1] 马军，李圭白.高锰酸钾的氧化助凝效能研究[J].中国给水排水， 1992，8（4）：4-7
[2] 金伟， 李怀正， 范瑾初. 粉末活性炭吸附技术在水厂中应用的关键问题[J].给水排水， 2001， 27（10）：11
[3] 王琳，王宝贞.饮用水深度处理技术[M].北京：化学工业出版社， 2002