摘要: 尝试运用相关性阐明的要领,通过研究发明,活性炭孔径漫衍,Zeta电位以及比外貌积与主要的化学安详性指标的相干系数可别离到达0.7~0.98,0.8,0.7.总孔容积,Zeta电位以及比外貌积越大,则相应的出水水质越安详.差异孔径的孔容积的漫衍功效表白,50 nm的大孔越多,处理惩罚结果也越好.活性炭布局与水质指标之间的干系可觉得活性炭的选择和应用提供指导.
要害词:深度处理惩罚;活性炭;布局特征;化学安详性;相关性
Relationship between activated carbon structure and chemical safety of drinking water
AN Na1, ZHANG Jin-song1, ZHAO Qing-liang2, LUO Hong-xing1
(1. Shenzhen Water (group) Co., LTD., Shenzhen 518031, China;2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150009, China)
Abstract: By the way of correlate analysis, the correlation coefficient between primary chemical safety indexes and distributing of pore size, Zeta-potential and specific surface area of activated carbon could be achieved, which was 0.7~0.98, 0.8 and 0.7 respectively. The bigger of the total pore volume, Zeta-potential and specific surface area, the more safety of the effluent water quality. The results of the different pore size distribution showed that the more of micro or meso-pore(50 nm)will cause better treating effects. The relationship of AC structure and water quality index will provide guidelines for AC selection and application.
Keywords: advanced treatment; activated carbon; structural character; chemical security; relativity
在饮用水深度处理惩罚中,生物活性炭技能(BAC)是今朝去除水中有机污染物最有效的技能之一.尽量人们对生物活性炭净水机理的认知还没有告竣共鸣,可是一般认为,生物活性炭对有机物污染物的去除是在活性炭吸赞同生物降解的配合浸染下完成的[],活性炭的吸附浸染使发展在它外貌的微生物得到养料,而微生物的氧化解析浸染又使活性炭的吸附本领获得规复,两者彼此促进,获得不变的处理惩罚结果.因此在生物活性炭工艺中,吸赞同生物降解是相辅相成,缺一不行的.就吸附浸染而言,差异活性炭由于其布局特征的差异,去除污染物的本领会有差别,而且,同种活性炭在差异地区由于水质环境的差别而表示出的吸附本领也是不尽沟通的.因此如何针对内地水质快速选择出最适合的活性炭,提出相应的活性炭布局,并最终成立起一套可行的活性炭机能评价体系成为当前急待办理的问题.
今朝,选择活性炭的常用要领是通过静态试验,活性炭滤柱尝试(中试或小试)或两者相团结来举办的.静态尝试主要是通过测定几个具有代表性的吸附指标,往返响活性炭的吸附本领,这种要领速度快,可是针对性较差,常常与实际运行结果有较大不同.活性炭滤柱试验是通过阐明活性炭柱的出水指标,来较量活性炭吸附机能的黑白,这种要领针对性较量好,可是费时艰辛.
针对现行的活性炭选择要领所存在的范围性,笔者提出了一种新的评价要领,对差异活性炭的布局和水质化学安详性指标举办了相关性阐明.研究表白这种要领针对性好,同时利便快捷,补充了以往要领的不敷,对活性炭的选择具有必然的指导意义.
尝试装置与阐明要领
1.1尝试装置
尝试是在南边地域某水厂内举办的,回收6个平行的活性炭柱,柱高3 m,内径120 mm,均装填有活性炭——石英砂双层滤料.共装了6种炭,别离为BAC1,BAC2,BAC3,BAC4,BAC5,BAC6.个中BAC1,BAC5,BAC6为柱状炭,BAC2,BAC3,BAC4为破碎炭.活性炭层厚 1800 mm,石英砂层厚300 mm,石英砂粒径为0.80~1.20 mm.
尝试用水为该厂滤后水并颠末臭氧化的出水.在正常的运行下,臭氧投量为1.5 mg/L;回响打仗时间t1=10 min;每个滤柱的流量Q=80 L/h;吸附打仗时间t2=15 min.尝试期间进水水质指标(平均值)见表 1.
表 1 尝试期间活性炭柱进水水质
紫外吸光度
(UV254,cm-1)
高锰酸盐指数
(mg/L)
三卤甲烷生成势
(THMFP,mg/L)
浊度
(NTU)
余臭氧量
(mg/L)
AOC
(mg/L)
0.026
1.60
2.3
0.1
0.5
46
1.2阐明项目及要领
阐明项目与要领见表 2.
表 2 阐明项目与要领
序号
项 目
测 定 方 法
1
孔容积(cm3/g)
GB/T 7702.20—1997[]
2
比外貌积(m2/g)
GB/T 7702.21—1997[]
3
Zeta电位(mV)
JS946+型微电泳仪
4
紫外吸光度(cm-1)
UV254暗示
5
高锰酸盐指数(mg/L)
GB5750-85[]
6
总有机炭 TOC(mg/L)
GB5750-85[4]
7
三卤甲烷生成势 THMFP(mg/L)
GB5750-85[4]
2尝试功效及阐明
2.1水质化学安详性
尝试选取了紫外吸光度,三卤甲烷,高锰酸盐指数和总有机碳四个指标来反应活性炭对有机物的去除.水中的天然有机物是造成色度,嗅味的原因物质,同时也是今朝氯化消毒副产品的前体物之一,它的去除环境对出水水质及后续工艺都很重要,因此选择紫外吸光度来权衡活性炭对天然有机物的去除结果.三卤甲烷由于其"三致"浸染,在海表里的饮用水尺度中都被列为重点节制指标,尝试也考查了活性炭对其生成势的吸附本领.别的,为了使尝试更具可较量性和普遍性,还回收了高锰酸盐指数(耗氧量)和TOC两项通例的综合性指标.阐明功效见表 3.
表 3 活性炭滤柱出水水质化学安详性指标(平均值)
活性炭编号
UV254去除率
高锰酸盐指数去除率
TOC去除率
THMFP去除率
BAC1
66%
54%
100%
-43%
BAC2
86%
65%
100%
0%
BAC3
88%
71%
97%
-7%
BAC4
82%
66%
80%
-26%
BAC5
78%
65%
27%
39%
BAC6
54%
51%
-210%
-809%
平均值
76%
62%
32%
-154%
从以上功效可以看出:
1. 总的来说,6根活性炭滤柱对UV254的去除较量高,个中结果最差的BAC6滤柱去除率为54%,结果最好的BAC3滤柱则可以到达靠近88%的去除率.整体来看,运行初期破碎炭对天然有机物的吸附本领明明优于柱状炭.
2. 破碎炭对耗氧量的去除结果略好于柱装炭,个中BAC3的去除率高出了70%,其它两种破碎炭也可以到达65%以上.柱状炭中BAC5的去除结果最好,为65%,BAC1和BAC6为51%和54%.
3. 1#~3#活性炭对TOC的去除结果很好,在进水TOC为0.3 mg/L时,BAC1和BAC2的出水功效为0 mg/L,而BAC3也仅为0.01 mg/L.与它们炭对比,BAC4的去除率略底,为80%.BAC5去除结果较差,去除率仅为27%,而BAC6的出水却呈现了负去除.固然从UV254和CODMn两个参数来看,BAC6的去除本领也是最低的,但呈现负去除是变态环境,这有大概是BAC6的制造进程中含有一些有机物,在滤柱通水运行的进程中被冲刷下来,造成了出水TOC比进水还高.
4. 由表1可知,活性炭滤柱进水的三卤甲烷生成势已经较量低,颠末滤后,只有BAC5对THMFP有必然去除,其他活性炭滤柱的出水,除BAC2去除率为0 %以外,都表示为差异水平的升高,个中以BAC6升高的幅度最大,靠近6倍.这说明活性炭滤柱对三卤甲烷生成势的节制结果欠好.有文献表白[4]:THMFP是较量难被吸附的一类物质,当有易吸附的物质与其发生竞争时,它很容易从活性炭外貌解吸出来,并且活性炭对THMFP的吸附周期也比其他吸附质短,容易呈现泄漏.因此,活性炭对THMFP的低去除率很大概是由吸附质的特性抉择的,同时也不解除天然有机物等易于被吸附的物质与其发生竞争吸附的大概性.
5. 总的来说,BAC2和BAC3对有机物的去除结果最好,BAC6的结果最差.活性炭对天然有机物的节制结果最好,对消毒副产品生成势没有去除.
2.2活性炭布局特征
2.2.1 活性炭孔径特征
尝试回收比外貌积,孔容积和孔径漫衍来表征活性炭的孔径特征.比外貌积和孔容积是反应活性炭吸附本领的通例指标,由于在活性炭的孔隙布局中,微孔占了绝大的比例,所以比外貌积和孔容积反应的凡是是微孔的发家环境.但在水处理惩罚中,期望被去除的污染物质的分子凡是较量大,它被微孔吸附的大概性就大大低于小分子吸附质,因此仅用微孔容积来权衡活性炭的吸附本领显然是不全面的.所以,尝试通过孔径漫衍来描写差异活性炭中孔和大孔的容积,以考查它们对差异分子量巨细的有机物的去除环境.
活性炭的孔径特征参数见表 4和表 5.
表 4 差异活性炭的比外貌积和孔容积
活性炭编号
比外貌积(m2/g)
孔容积(mL/g)
BAC1
1 114
0.5790
BAC2
1 091
0.6480
BAC3
1 328
0.8363
BAC4
1 100
0.5636
BAC5
1 027
0.5489
BAC6
917.5
0.4446
从阐明功效来看:总体说来BAC3的比外貌积和孔容积值与其他5种炭对比显出了绝对的优势,而BAC6的两项指标均比其他五种活性炭的低.BAC1,BAC2,BAC4和BAC5相差则不大.
由于活性炭的吸附本领与其内部的孔径漫衍特征是息息相关的,所以需要对活性炭在差异孔径范畴下的孔容积作具体的阐明,见表5*.
表 5 活性炭差异孔径孔容积的漫衍 (nm)
活性炭编号
<2 nm
2~5 nm
5~10 nm
10~20nm
20~30nm
30~50nm
50~100nm
BAC1
0.197
0.100
0.021
0.012
0.006
0.002
0.004
BAC3
0.386
0.297
0.023
0.014
0.006
0.005
0.006
BAC4
0.166
0.094
0.021
0.012
0.004
0.005
0.006
BAC5
0.191
0.104
0.022
0.010
0.004
0.005
0.005
BAC6
0.139
0.058
0.025
0.007
0.002
0.001
0.002
注:由于某种原因,BAC2的孔径漫衍环境没有举办阐明
从功效中可以看出:无论在哪个孔径范畴内,BAC3的孔容积值都比其它活性炭高,尤其是它的中孔容积(2~50 nm)更是表示出了明明的优势,这与2.1中数据所显示的BAC3对NOM,耗氧量及TOC的高去除率是相吻合的.而BAC6在任何孔径范畴下的孔容积都是6种活性炭中最低的,这与2.1中"BAC6对有机物的去除本领最差"的结论也是对应的.
2.2.2 活性炭外貌性质
研究表白,活性炭的外貌性质对吸附起到了重要浸染,外貌带电量和酸性被认为是节制吸附的重要因素.尝试选用Zeta电位和pH值两项指标来考查活性炭的外貌性质.Zeta电位值可以反应炭粒外貌的电荷密度,从而用它来间接表征炭粒由外貌静电引力而引起的吸附有机物的本领[].pH主要是反应活性炭外貌的酸碱性官能团的相对数量,这些官能团的存在使得活性炭表示出两性性质,从而影响活性炭的吸附机能.在pH值的测定进程中发明,活性炭煮沸液过滤与否所测得的pH值是有不同的,过滤后滤液所得的数值比不外滤的平均低落1~2%.尝试功效如表 6所示:
表 6 差异活性炭的外貌性质
活性炭编号
Zeta电位值
(最大正电/最大负电,mV)
pH值
(过滤/未过滤)
BAC1
4.7/-3.48
8.89/9.07
BAC2
14.57/-5.16
7.74/7.85
BAC3
11.51/-1.92
9.1/9.18
BAC4
14.33/-14.13
8.41/8.51
BAC5
5.73/-5.12
8.35/8.64
BAC6
4.3/-3.48
8.58/8.73
阐明功效显示:ζ电位有正值也有负值,说明活性炭外貌有带负电荷的也有带正电荷的,而且同一种炭所带的电位值基内情近.柱状炭的Zeta电位值明明比破碎炭的低,表白破碎炭外貌所带的电荷较柱状炭要多,这与破碎炭的出水结果要普遍好于柱状炭的结论相切合.同时,在BAC4的孔容积不是很大的环境下,它对NOM,高锰酸盐指数及TOC等几项指标的去除率却表示得较量突出,这与其高Zeta电位值有必然的干系,外貌静电浸染增大了它的吸附量.所有活性炭的pH值均大于7,偏碱性,这时活性炭外貌带主要带有正电荷,而水中的NOM在中性条件下带有负电[],因此将有助于活性炭对NOM的去除,这也与2.1中的论断相吻合.
2.3 相关性阐明
表 7 相关性阐明功效
项 目
UV254(cm-1)
高锰酸盐指数
(mg/L)
TOC
(mg/L)
THMFP
(mg/L)
比外貌积(m2/g)
0.5148
0.5574
0.5270
0.3950
总孔容积(cm3/g)
0.5853
0.6210
0.4404
0.3425
Zeta电位(绝对值 mV)
0.6573
0.6080
0.3171
0.2370
pH值(过滤后)
0.0484
0.0057
0.0010
0.0107
pH值(未过滤)
0.0731
0.0178
0.0037
0.0088
孔容积(2 nm)
0.4504
0.4979
0.2575
0.1936
孔容积(2~5 nm)
0.4952
0.5612
0.2453
0.1851
孔容积(5~10 nm)
0.7848
0.6170
0.8746
0.9450
孔容积(10~20 nm)
0.6727
0.5596
0.8548
0.6672
孔容积(20~30 nm)
0.3367
0.2171
0.7813
0.5954
孔容积(30~50 nm)
0.9115
0.8806
0.4300
0.6068
孔容积(50~100 nm)
0.9611
0.8684
0.7812
0.7623
为了寻求在活性炭布局和水质安详性的内涵接洽,将上述水质化学安详性指标与活性炭布局指标的检讨功效作相关性阐明,得出功效见下表(表中数值为R2值):
从以上功效可以看出:
活性炭对NOM的吸附去除率与它外貌的Zeta电位值有很大的干系,按照上面的阐明,在中性水情况下,NOM为带负电荷的有机物,静电引力是活性炭吸附NOM的一个重要因素,因此活性炭外貌的Zeta电位值越高,它对NOM的去除结果越好.值得留意的是,在孔容积漫衍与UV254去除率的相关性阐明中,30~100 nm孔径的孔容积对UV254去除率的影响最大,其相干系数可达0.98,该现象说明较大的中孔和大孔对NOM的去除起到主导浸染.这是因为:天然水中的有机物大多以腐殖质的形式存在,分子量约莫为几百至几十万[],这样大分子量的有机物只可以或许顺利达到较大中孔和大孔的外貌被吸附而不容易被微孔和较小中孔吸附.
高锰酸盐指数去除率的影响因素与UV254的根基一致,也是Zeta电位值越高,高锰酸盐指数的去除率也就越高.对付孔容积漫衍,同样是30~100 nm的较大中孔和大孔对高锰酸盐指数去除起到主导浸染.假如将高锰酸盐指数去除率和UV254去除率做相关性阐明会发明,二者的相干系数可达0.97.这表白了该尝试用水中的有机物主要是在紫外区254 nm处有强接收峰,而且能被高锰酸钾氧化的,那也就不难说明为什么高锰酸盐指数和紫外吸光度与活性炭布局参数的相关性较为一致.
影响活性炭对TOC去除结果的因素主要是孔径漫衍,孔径范畴在5~100 nm下的孔容积对TOC去除率影响最大,其相干系数可达0.85~0.93,活性炭的这些孔隙加倍家,则TOC去除率越高.别的,与UV254去除率,高锰酸盐指数去除率的差异的是:<5 nm的微孔与TOC去除率的相干系数很低.这大概是因为:TOC所表征有机物无论是从范例照旧从巨细来看,其范畴远比紫外吸光度和高锰酸盐指数所能反应的更遍及和巨大.在这种环境下,由于微孔的吸附动力较小,竞争不外中孔和大孔对有机物的吸附,从而表示出微孔容积与TOC去除率的低相关性.
对付生成势的去除结果,主导影响因素是活性炭的孔径漫衍.尤其是5~10 nm的孔径,相干系数可以到达0.97,这与三卤甲烷的分子布局和分子量巨细有干系.比外貌积和孔容积对它的去除结果的影响很小,这是因为由于三卤甲烷的分子小,比外貌积和孔容积两项指标不是影响它被吸附的限制因素.
3 结论
综上所述,可以得出以下结论:
1. 在沟通的水质和运行条件下,差异活性炭过滤出水的水质化学安详性差异,这表白活性炭的布局特征是影响其吸附机能的主导原因,二者之间具有一定的干系.
2. 活性炭过滤出水的化学安详性指标与活性炭的布局有精采的相关性.总体来说Zeta电位和总孔容积越高,则出水的化学安详性越高.差异孔径的孔容积的漫衍特征有很大的影响,个中50nm的大孔越多,水质越安详.
3. 活性炭吸附本领的评价体系可以由活性炭的孔径漫衍,外貌Zeta电位值以及总孔容积三个指标构建,通过该体系能快速估测活性炭对水中有机物的去除本领.并由此可作为饮用水处理惩罚中活性炭选择的依据.
参考文献
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