活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭與膜過濾去除壬基酚乙氧基化物

　　壬基酚聚氧乙烯醚及其衍生物在工業應用中廣泛用作洗滌劑、分散劑、油漆、塑料、乳化劑和破乳劑等。也是非離子表面活性劑，不穩定，可生物轉化為壬基酚單乙氧基化物、壬基酚二乙氧基化物、壬基酚三乙氧基化物、水生環境中的壬基酚等會造成環境問題，所以需要去除。我們研究了浸沒式膜過濾系統和活性炭的組合以去除壬基酚乙氧基化物。活性炭和膜過濾的結合具有防止活性炭沖洗掉、微污染物去除率高、占地面積小、操作方便等優點，效果好等。

　　去除壬基酚乙氧基化物的實驗裝置

　　在這項研究中，依次進行了三個實驗階段，包括評估活性炭濃度對壬基酚聚氧乙烯醚去除效果的批量實驗，確定活性炭與膜過濾系統的合適通量，以及系統連續運行。首先，進行批量實驗以評估活性炭濃度的去除的影響。將6個密封瓶裝入200mL去離子水，并在每個瓶中加入活性炭，用量為25、50、100、150、200和250mg/L。初始壬基酚聚氧乙烯醚濃度控制在4mg/L。在30分鐘內以25rpm的速度搖動這些瓶子，溫度為32℃。然后，測量每個瓶子中的壬基酚乙氧基化物濃度以確定去除效率。批次實驗重復兩次。在下一階段，建立實驗室規模的活性炭與膜過濾系統，如圖1所示。由聚乙烯制成的平板膜組件，表面積為0.15平方米，孔徑為2.5μm浸入反應器中，工作容積為10L。通過數字壓力計每天記錄跨膜壓力。以65L/分鐘的流速供應空氣以避免活性炭在反應器中沉積。

　　圖1：實驗室規模的浸沒式膜過濾系統示意圖。

　　以批量實驗選擇的劑量添加到系統中。活性炭膜過濾系統以不同通量順序運行。每個通量運行8小時，清洗反應器和膜組件以開始檢查以下通量。在運行8小時后測量對應于每種通量的懸浮和沉積的活性炭濃度。將選擇產生高懸浮活性炭濃度的通量用于連續操作。在確定合適的活性炭用量和運行通量后，活性炭膜過濾系統在288小時(12天)內運行以評估有機微污染物去除性能。

　　通過活性炭與膜過濾系統去除壬基酚乙氧基化物和DOC

　　根據批量實驗的結果，活性炭膜過濾系統在20通量和50mg/L的活性炭用量下連續運行12天。活性炭在第一天添加，并且在操作期間沒有進行活性炭添加。如前所述，系統中的活性炭傾向于移動到膜組件并沉積在膜表面。因此，體相中的活性炭濃度隨時間降低，而沉積的活性炭質量增加。圖2和圖3中的數據顯示了微污染物去除與懸浮活性炭濃度之間的相關性。在最初的40小時內，雖然體相中懸浮的活性炭從51.00+0.31mg/L大幅下降到16.5+3.4mg/L，但體相中懸浮的活性炭濃度仍然很高，為37.4+5.4mg/L。

　　圖2：運行期間主體相中動力活性炭濃度的變化。

　　滲透液中的DOC濃度為1.25+0.12mg/L，對應于58+4%的去除效率。然而，從第43小時到第168小時，懸浮的活性炭濃度下降到12.20+2.31mg/L，DOC去除效率達到45+5%。在剩余的幾個小時內，主體相中的活性炭濃度僅為9.4+1.1mg/L，并且觀察到最低的DOC去除效率為23+11%。在此期間獲得的出水DOC濃度(2.05+0.32mg/L)與進水(2.64+0.04mg/L)接近。很明顯，體相中活性炭的消耗導致微污染物去除的減少。從第200小時開始，滲透液中的DOC濃度比第一個小時高2倍。從這些結果來看，應該在40小時后向系統補充活性炭以保持去除性能。

　　圖3：運行期間滲透液中DOC和壬基酚乙氧基化物濃度的變化。

　　壬基酚乙氧基化物濃度是在運營期間測量的。進水壬基酚乙氧基化物維持在4mg/L，滲透液中壬基酚乙氧基化物濃度波動在1.34+0.41mg/L(圖3)。與DOC去除性能一樣，反應器中的活性炭濃度也會影響壬基酚乙氧基化物的處理。由于前50小時懸浮壬基酚乙氧基化物濃度較高，壬基酚乙氧基化物去除效率達到81+3%，然后在接下來的幾個小時內降低到66+5%。與生物處理工藝相比，本研究中活性炭與膜過濾系統去除壬基酚乙氧基化物顯示出更有效的效果。

　　活性炭與膜過濾系統顯示出比其他技術更高的壬基酚乙氧基化物去除率。因此，浸沒式膜過濾系統與活性炭相結合是從天然水體中去除壬基酚乙氧基化物，尤其是壬基酚乙氧基化物的一種有前景的方法。此外，活性炭與膜過濾系統可以作為一種先進的廢水處理工藝，特別是處理含有微污染物如壬基酚乙氧基化物的廢水。活性炭還可以作為微污染物的有效吸附劑，這些微污染物不能單獨通過膜過濾來排斥。系統中存在的活性炭包括懸浮在體相中的活性炭和沉積在膜表面的活性炭。由于吸附了超過65%的溶解有機碳，懸浮活性炭與沉積活性炭相比顯示出更高的吸附能力。然而，體相中懸浮活性炭的減少導致壬基酚乙氧基化物去除效率的下降，這是活性炭與膜過濾系統的主要缺點。因此，為了保持所需的去除效果，應補充懸浮的活性炭質量。確定活性炭的添加量和耗損，能提供穩定的污染物去除效率。

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