粉末活性炭吸附技術在飲用水處理上的研究進展

王偉

【摘 要】粉末活性炭具有很強的吸附性能，對水中的色、嗅、味、有機物等去除效果明顯。這里介紹了活性炭的制作、用途、分類和構成等，并對粉末活性炭在飲用水處理中的應用進行了闡述。

【關鍵詞】粉末活性炭 飲用水 吸附

【中圖分類號】 TQ424.1【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0044-01

1 粉末活性炭簡介

活性炭可由含碳物質（如木材、鋸末、椰殼、果殼、煤以及焦炭等）經炭化和活化后制成，經高溫炭化和活化后的活性炭具有穩定的化學性能，能耐強酸或強堿，能經受住水浸、高溫、高壓的作用，且不易破碎[1]。根據其外觀形狀、制造方法及用途等不同，有多種分類方法。從外觀形狀上，活性炭可分為粉末活性炭、顆粒活性炭、破碎狀炭等。作為多孔性吸附劑的活性炭基本上是非結晶性物質，它由微細的石墨狀微晶和碳氫化合物部分構成。其固體部分之間的間隙形成孔隙，給予活性炭所特有的吸附性能。

活性炭具有多種機能的最主要原因在于其多孔性結構。活性炭中具有各種孔隙，不同的孔徑能夠發揮出與其相應的功能。微孔（孔隙直徑<2nm）比表面積很大，呈現出很強的吸附作用；中孔（直徑2-50nm）可以起到通道和吸附的作用；大孔（直徑>50nm）主要是溶質到達活性炭內部的通道，還可以通過微生物在其中的繁殖，使無機的碳材料發揮生物質功能。

2 粉末活性炭在飲用水處理中的應用

自1929年美國芝加哥市一水廠用粉末活性炭去除嗅味開始，粉末活性炭用于給水處理已有80多年的歷史，是水處理中最常用的吸附劑。其對水中的色、嗅、味去除效果明顯，對農藥、酚類和鹵代烴等消毒副產物及其前體物均有較強的吸附能力，特別適合受突發性水污染影響及原水水質季節性變化較大的水廠 [2]。美國環保署有關飲用水標準的有機污染物指標中，有51項將活性炭應用列為最有效處理技術[3]。

粉末活性炭吸附水中溶質分子是一個十分復雜的過程，是由分子間力、化學鍵力和靜電引力所形成的物理吸附、化學吸附和離子交換吸附綜合作用的結果。活性炭對污染物質的吸附過程主要是物理吸附，其受活性炭的物理結構影響很大，如微孔數量的發達程度等。物理吸附是一個放熱過程，不需要活化能，可在低溫下進行，可以形成單分子層或多分子層吸附，在吸附的同時被吸附的分子由于熱運動還會離開活性炭表面，出現解吸現象；活性炭在制造過程中形成的官能團，使活性炭也具備了化學吸附的性能，此過程需要大量的活化能，需要在較高的溫度下進行。化學吸附具有選擇性，只能形成單分子層吸附，不易出現解吸現象；在吸附過程中，伴隨著等量離子的交換，由靜電引力引起的離子交換吸附主要由離子的電荷決定。

2.1 國外研究進展

隨著水源污染的日益嚴重，粉末活性炭在水處理工藝上的應用范圍不斷擴大，國外對粉末活性炭的研究已經深入到了具體污染物的程度。投加粉末活性炭可以與強化混凝形成互補，提高工藝對腐殖酸、苯酚等的去除效果[4，5]，將DOC的最大去除率由單獨使用混凝時的45%提高到76%，使UV254和CODMn的去除率分別達到99%和89%。Maria等還發現，先混凝后投加粉末活性炭進行吸附的效果比混凝劑與粉末活性炭同時投加的效果要好。天然有機物（NOM）、濁度和絮體大小對粉末活性炭去除痕量目標有機物有重要的影響，隨著濁度和鋁鹽混凝劑投加量的增加，形成了大尺寸的絮體，將粉末活性炭包裹，導致MIB的去除效果下降，而天然有機物的特性對粉末活性炭吸附效果的影響比絮體結構的影響更大，主要是因為對活性炭吸附點位的競爭和孔隙堵塞[6-8]，粉末活性炭中大孔和中孔比例的提高有助于解決孔隙堵塞的問題。

2.2 國內研究進展

我國自20世紀60年代末期開始活性炭吸附技術的研究，已取得大量的研究成果，并在實際應用中取得了成功。傅金祥等研究了粉末活性炭應急處理水源水苯酚污染的可能性，結果顯示粉末活性炭對苯酚的吸附性能符合Freundlich吸附等溫線，在苯酚的平衡質量濃度為0.002mg/L時，粉末活性炭對其吸附容量為1.46mg/g，粉末活性炭吸附20min即達到吸附容量的90%以上[9]。蔣曉風等以樂果、鄰苯二甲酸二乙酯、苯和甲醛為目標有機物，研究了粉末活性炭對目標污染水源水的處理效果，結果發現粉末活性炭對前三種污染物的去除效果較好，而對于甲醛類極性小分子即使增加粉末活性炭的投量也不能達到理想的去除效果[10]。粉末活性炭對硝基氯苯和2，4二硝基氯苯的吸附符合假二級反應動力學，在5-25℃的范圍內吸附能力隨著溫度的降低而增強[11]。陳蓓蓓等利用中試裝置研究了阿特拉津突發污染的處理措施，結果發現投加粉末活性炭可有效去除阿特拉津，當粉末活性炭投量為50mg/L時，可使初始濃度為0.2mg/L的阿特拉津降到0.002mg/L的標準以下；高錳酸鉀與粉末活性炭聯用比單獨使用粉末活性炭的效果略有改善但不顯著，預氯化會降低粉末活性炭對阿特拉津的去除率[12]。2005年的松花江硝基苯污染事件中，粉末活性炭為保障供水安全發揮了重要的作用。趙志偉等針對受硝基苯污染的松花江水，研究了5種不同的粉末活性炭去除硝基苯的性能，發現比表面積最大、碘值和亞甲基藍值最大、同時水分和灰分含量較低的炭種對硝基苯的去除效果最好[13]；張振宇等進行了粉末活性炭去除硝基苯的生產性試驗研究，結果發現當硝基苯超標50倍以上時，投加80mg/L粉末活性炭，吸附時間不低于2h，可將出水硝基苯含量控制在國家標準以下，并具有很高的穩定性[14]。

3 結束語

粉末活性炭具有設備投資小，價格便宜，吸附速度快，對突發性水質污染適應能力強的特點。應用粉末活性炭吸附技術應對突發性有機物水污染事件，保障城市飲用水安全，有著廣闊的前景。在使用時處理好炭種選擇、投加點、投加方式等問題，對于不同的水質，最佳粉末活性炭處理工藝的確定，主要應通過試驗模擬手段或根據已有相似水質水量的現有工藝的經驗獲得。

參考文獻

[1] 馬軍，李圭白.高錳酸鉀的氧化助凝效能研究[J].中國給水排水， 1992，8（4）：4-7

[2] 金偉， 李懷正， 范瑾初. 粉末活性炭吸附技術在水廠中應用的關鍵問題[J].給水排水， 2001， 27（10）：11

[3] 王琳，王寶貞.飲用水深度處理技術[M].北京：化學工業出版社， 2002