活性炭在飲用水處理中的應用

胡麗瑋

摘 要：目前我國大部分水源受到不同程度的水質污染，然而常規處理除對濁度有較好的去除外，對其他水質指標的去除率都較低。在這種情況下，活性炭可作為飲用水處理的有效手段，愈發受到重視。文章概述了活性炭的基本性質、制備、改性及在飲用水處理中的應用，并對其今后的發展方向進行了分析。

關鍵詞：活性炭；飲用水處理；應用

近年來，有機物污染的加重以及飲用水污染突發事件的增加，時刻提醒著人們關注飲用水的水質安全問題。研究表明[1-4]，常規水處理工藝對TOC的去除率不到30%，氨氮的去除率依原水水質而定，大多在25%以下，而且面對一些突發性的水源水質污染，常規處理工藝很難應對，如兩蟲、藻類、內分泌干擾物等。這就要求我們尋求新的技術來完善傳統的常規處理工藝。活性炭能夠有效地去除污染物及消毒副產物的前體物，提高和保障飲用水質，是至今飲用水深度處理中最為有效的方法[5]。

1 活性炭基本性質

活性炭屬于固體炭質的一種，其顏色呈黑色，結構多微孔（直徑多為1×10-10～1×10-9μm）。大量的微孔致使活性炭的比表面積高達1000m2/g，遠遠高于其它固體材料，這一特質使活性炭具有強大的吸附能力。活性炭的吸附根據吸附力的不同分為物理吸附、化學吸附、離子吸附，而活性炭對有機物的去除以物理吸附為主，范德華力在物理吸附中起決定性作用[6]。

因制作活性炭的原料不同，所以活性炭具有不同的結構和化學性質，應用也各不相同。比如，由木材制作的活性炭為粉末狀，孔隙結構較大，能夠吸附分子量較大的物質；由椰殼制作的活性炭為不定型顆粒狀，大孔少，多用于吸附分子量較小的物質[7]。

2 活性炭制備

活性炭的制備工藝十分成熟，為了獲得優質的活性炭，一般采用以下制備方法[8]：（1）原料預處理，包括脫灰和預氧化。脫灰可以通過去除原料中的Ca、Mg等雜質來提高活性炭性能，但費用較高。預氧化不僅能夠使活化溫度降低，活化時間縮短，還能夠使原料的表面活性增加，使活化作用更為深入。（2）使用催化活化劑。這一工藝可以大大提高反應速率，使孔徑分布集中。（3）使用模板。這一工藝可通過改變模板從而控制活性炭的孔隙分布，但制備工藝復雜，成本高。（4）物理與化學聯用，可提高活性炭的比表面積，得到超級活性炭。

3 活性炭的改性

隨著活性炭在水處理中的應用越來越多，普通活性炭[9]由于本身的缺陷如孔徑分布寬、比表面小、吸附選擇性差已遠遠不能達到市場的需求，活性炭的改性應運而生。活性炭的改性即對活性炭的結構與性質進行改性。常用的改性方法有酸改性、堿改性、負載改性、微生物改性、等離子體改性等[10]。

程瓊[11]研究表明，以氨水作為改性劑，當其濃度的15%時，對玉米秸稈活性炭的改性作用最大，吸附量達到最佳，為77.5mg/g，增加了36.25mg/g；以碳酸鈉為改性劑，其濃度為1.5mol/L時，效果最佳，吸附量為68.75mg/g。

呂游[12]等研究表明，用0.05mol/L的乙二胺四乙酸二鈉溶液對煤基活性炭進行改性處理，當固液比為1：10，接觸時間為40min時，改性效果最好，對模擬含銅離子廢水的去除率高達90.8%，提高了29.9%。

4 活性炭在水處理中的應用

活性炭的使用源于20世紀20年代，原捷克斯洛伐克首次在飲用水處理中使用；60年代初，歐美地區開始廣泛使用于飲用水和工業廢水處理。近年來，我國已對活性炭的應用逐漸重視。

4.1 活性炭吸附能力的影響因素

影響活性炭吸附的主要因素有：活性炭的粒徑和比表面積、活性炭表面的化學官能團、溶液的pH值、水中吸附質的溶解度、濃度及其極性、分子量[13]、接觸時間等。辛曉東[14]等研究表明，活性炭的吸附能力與其粒徑大小呈反比，與比表面積呈正比，粒徑較小的煤質炭其對臭味的去除要優于粒徑較大的椰殼炭。肖琦[15]等研究表明，活性炭對疏水性有機物的去除要優于親水性有機物，相對分子量相同的有機物，親水性越強，活性炭吸附性能越差；活性炭主要去除分子量在500～3000的這部分有機物。

4.2 活性炭炭種對水質處理的影響

活性炭種類不同其孔隙直徑大小、孔隙分布情況也就不同，這就決定了其吸附能力的不同。研究表明[16]，活性炭炭種的選擇，最主要考慮的是其吸附性能，活性炭的中孔越發達，其對有機物的吸附能力及速度就越高。炭種的選擇必須要做活性炭吸附效果，及活性炭結構分析，只有這樣才能反應活性炭的實際吸附效果。

4.3 活性炭投加位置對水質處理的影響

4.3.1 在沉淀前

在混凝沉淀工藝前投加活性炭，可以提高出水水質，應對水源的突發性污染，如藻類、臭味、藻毒素等。凌文翠[17]等研究表明，投加20mg/L PAC后，對低濃度的樂果（241μg/L）的去除率在70%左右，對中低濃度的敵敵畏（3.0～9.3μg/L）的去除率在90%以上。

4.3.2 在沉淀后

在混凝沉淀工藝后投加活性炭，可以有效地去除有機物。研究顯示[18]，在石英砂濾料上增加一層活性炭濾料會提高濾后出水水質，炭砂濾池對TOC、UV254的去除率比單層石英砂濾池高出24.84%與12.5%。

臭氧與活性炭聯用（O3-BAC）技術由于臭氧的氧化特性及活性炭表面微生物對有機物的去除，可以使其自身進行再生，保持活性炭的吸附性能[19]，已經在我國的一些經濟發達城市的水廠得到廣泛應用。陳麗珠[20]等對南方某一運行了6年的臭氧生物活性炭工藝進行研究，研究發現，即使活性炭的碘值與亞甲藍值遠遠低于國家標準值，O3-BAC工藝依然對有機物有較好的去除率，其對CODMn、TOC、UV254、三氯甲烷和三氯乙醛的去除率分別為43.2%、24.0%、58.8%、54.5%、70.7%。

4.3.3 在超濾膜前

目前，活性炭與超濾膜聯用（PAC/UF）被廣泛應用于中小水廠。PAC/UF工藝不僅可以提高對有機物的去除和透水通量，還能夠防止膜污染[21]。Takizawa S等人[22]的研究表明，在超濾工藝前投加50mg/L的PAC，對色度和腐殖酸的去除率分別增加了為36%和49%、97%；當PAC的投加量小于20mg/L時，對膜通量的影響可以不計。

4.4 活性炭在水處理應用遇到的問題

活性炭使用成本較高，再生困難，并且對水廠的自動化程度要求較高，導致活性炭很難大規模推廣。

5 結束語

面對嚴重的水資源問題以及人們對高品質飲用水水質的追求，對飲用水深度處理技術的完善與改進顯得尤為重要。活性炭技術是一項國內外應用比較成熟的深度處理技術。雖然活性炭有效提高了對有機物的去除，但是其制備工藝相對復雜、使用成本相對較高，難以大規模推廣應用。所以，活性炭未來的研究方向應從降低成本、提高效率、簡化操作等多方面綜合考慮，使其成為飲用水水質安全的有力保障。

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