活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　如果在用于飲用水生產(chǎn)的源水中檢測到親水性有機(jī)微污染物，那么一般從水中除去這些微污染物的技術(shù)是使用固定床過濾器中的活性炭進(jìn)行吸附。使用活性炭吸附的速率一般是通過活性炭內(nèi)的吸附物擴(kuò)散來確定的。中孔活性炭可促進(jìn)擴(kuò)散，獲得更高的吸附速率。本次我們使用兩種不同類型的活性炭對(duì)親水微污染物的吸附速率。此外，進(jìn)行平衡研究以確定所選微污染物對(duì)活性炭的親和力。將孔擴(kuò)散模型應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)以獲得孔擴(kuò)散系數(shù)。

　　人造有機(jī)微污染物，如工業(yè)化學(xué)品及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，常見于地表水和地下水。微污染物可能通過污水處理廠的廢水和農(nóng)田的徑流進(jìn)入環(huán)境。在過去的幾十年中，在用于飲用水生產(chǎn)的水體中檢測到了數(shù)十種微污染物。由于人為有機(jī)化學(xué)品的使用增加，未來可能會(huì)增加微污染物對(duì)地表水和飲用水的污染。在固定床過濾器中吸附到活性炭上是在從地表水源生產(chǎn)飲用水中去除微污染物的主要步驟之一。雖然活性炭對(duì)疏水性化合物的吸附性能好，但是對(duì)親水性化合物的去除與高級(jí)氧化工藝相比，涉及吸附到活性炭上的技術(shù)具有成本效益，通常不會(huì)形成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。活性炭吸附技術(shù)的缺點(diǎn)包括活性炭再生的高能耗和緩慢的吸附動(dòng)力學(xué)。然而，使用活性炭吸附仍被認(rèn)為是從廢水和飲用水中去除微污染物的必要步驟。

　　在本研究中，我們評(píng)估了親水微污染物對(duì)兩種不同孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭的親和力，并建立了基于孔擴(kuò)散的理論模型來描述吸附動(dòng)力學(xué)。吸附等溫線和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)用作模型的輸入，以使用具有不同孔徑的兩個(gè)活性炭獲得不同尺寸的多個(gè)為污染物的表觀孔擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果提供了微污染物和活性炭的哪些特征影響吸附速率的見解。

　　擴(kuò)散模型

　　我們使用孔擴(kuò)散模型來描述微污染物向活性炭內(nèi)表面的質(zhì)量傳遞。在我們的實(shí)驗(yàn)中研究的所有微污染物都是親水的，其對(duì)活性炭的親和力通常低于疏水性微污染物。因此，預(yù)期孔擴(kuò)散是主要的質(zhì)量傳遞機(jī)制。在該模型中，我們僅考慮孔隙擴(kuò)散用于孔隙內(nèi)的質(zhì)量傳遞。在孔擴(kuò)散模型中，假設(shè)活性炭顆粒是球形的，具有恒定直徑和均勻分布的吸附位點(diǎn)。

　　活性炭材料準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)方法

　　使用兩種不同孔隙的活性炭，使用椰殼和木質(zhì)材料制成的活性炭經(jīng)過氮吸附解吸等溫線測量結(jié)構(gòu)性質(zhì)。再將活性炭過篩以獲得直徑在0.5mm和1mm之間的顆粒。篩分后，用軟化水洗滌1小時(shí)，干燥并儲(chǔ)存干燥。在實(shí)驗(yàn)之前，將活性炭在105℃下干燥備用，稱重并在軟化水中煮沸以除去夾帶的空氣。使用的多種微污染的混合物分別為脒基脲，六亞甲基四胺，碘帕醇，碘普羅胺，二甲雙胍和吡唑等。

　　吸附等溫線：進(jìn)行吸附等溫線以研究所選微污染物對(duì)兩種類型活性炭的親和力。所有微污染物對(duì)椰殼活性炭表現(xiàn)出更高的親和力(圖1)，對(duì)木質(zhì)活性炭的親和力一般。椰殼活性炭對(duì)某些微污染物的吸附容量可能高在我們的實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，因?yàn)槭┘拥奈⑽廴疚餄舛忍�低而不能達(dá)到活性炭飽和。

　　圖1：活性炭對(duì)幾種親水微污染物的吸附等溫線。

　　微污染物在活性炭上的吸附動(dòng)力學(xué)

　　在動(dòng)力學(xué)吸附研究中，吸附速率與微污染物分子大小和活性炭孔徑有關(guān)。我們觀察到椰殼活性炭對(duì)小分子污染物在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到平衡，而對(duì)于大分子也能在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到平衡，然而木質(zhì)活性炭則要120小時(shí)才能達(dá)到平衡。微污染物的分子越大活性炭的吸附速度越慢。活性炭的孔擴(kuò)散系數(shù)通過將孔擴(kuò)散模型擬合到的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來獲得，對(duì)于這些親水微污染物，椰殼活性炭的吸附速率高于木質(zhì)活性炭(圖2)，這是由于椰殼活性炭中存在中孔，對(duì)于除大分子之外的所有微污染物的效果都比較優(yōu)秀。

　　圖2：活性炭在動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中負(fù)荷微污染物。

　　活性炭的孔擴(kuò)散系數(shù)

　　活性炭中吸附質(zhì)的孔擴(kuò)散系數(shù)與吸附質(zhì)水分?jǐn)U散系數(shù)有關(guān)，其中活性炭的曲折因子是描述活性炭結(jié)構(gòu)的參數(shù)，用于將孔中的吸附物擴(kuò)散率與游離溶液中的擴(kuò)散率聯(lián)系起來。椰殼活性炭和木質(zhì)活性炭曲折度是根據(jù)報(bào)道計(jì)算的d值和等式獲得的。計(jì)算椰殼活性炭的曲折度值在3到5之間，木質(zhì)活性炭的曲折度值約為8。由于曲折是活性炭的一個(gè)屬性，它的值應(yīng)該是不變的。然而，該參數(shù)是基于吸附物在活性炭表面上的吸附來確定的，因此吸附物和活性炭表面之間的相互作用可能會(huì)影響使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的值。曲折度值的變化也可以表明粒子內(nèi)擴(kuò)散不僅受孔擴(kuò)散控制，而且表面擴(kuò)散也可能在確定吸附速率中起作用。

　　研究了親水微污染物與兩種不同孔徑活性炭的吸附速率和親和力，確定了吸附速率限制步驟。結(jié)果如下：從飲用水中去除微污染物合適的活性炭的選擇不僅應(yīng)考慮對(duì)目標(biāo)化合物的親和力，還應(yīng)考慮活性炭孔徑。需要具有中孔的活性炭以防止緩慢的動(dòng)力學(xué)降低固定床中活性炭過濾器的效率。對(duì)于大多數(shù)親水微污染物，孔擴(kuò)散系數(shù)與吸附質(zhì)大小負(fù)相關(guān)，并且對(duì)于大分子的吸附物，這種相關(guān)性更強(qiáng)。活性炭的微孔阻礙了大分子的擴(kuò)散，導(dǎo)致曲折度值高于普遍活性炭的曲率。吸附親和力涉及微污染物的分子結(jié)構(gòu)，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的微污染物比具有線性或球狀結(jié)構(gòu)的污染物更大程度地吸附到活性炭上。

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