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

　　受全氟烷基物質(zhì)污染的飲用水由于常規(guī)飲用水處理廠中多氟烷基物質(zhì)去除不良造成的。雖然納米膜過濾能去除大部分，但是溢出的部分任然超標(biāo)了。在我們的研究中，飲用水處理的納濾與陰離子交換樹脂和活性炭相結(jié)合，用于處理納濾廢物流。在直接比較中評估活性炭和陰離子交換樹脂的全氟烷基物質(zhì)吸附差異。比較吸附劑材料活性炭和陰離子交換樹脂去除全氟烷基物質(zhì)污染的原水以及膜廢水，并檢查全氟烷基物質(zhì)濃度因子對其的影響和吸附劑的吸附性能。

　　全氟烷基物質(zhì)是一組具有獨特物理化學(xué)性質(zhì)的人造化學(xué)品。它們具有排斥油和水的能力以及耐久性，這些性質(zhì)使它們成為廣泛應(yīng)用的化學(xué)品。一般存在與地表水中這樣導(dǎo)致了飲用水的全氟烷基物質(zhì)濃度過高。由于低效的處理技術(shù)或通過破壞性方法轉(zhuǎn)化多氟烷基物質(zhì)前體，常規(guī)飲用水處理通常導(dǎo)致成品飲用水中的多氟烷基物質(zhì)濃度與原水相似或甚至更高，因此需要從飲用水中去除。活性炭是一種多功能吸附材料，可用于從水中去除多氟烷基物質(zhì)。

　　膜處理活性炭吸附的模擬試驗

　　使用的納濾膜是螺旋纏繞膜。處理系列由30μm聚丙烯過濾器，帶防垢劑注入的給水泵和兩個串聯(lián)的NF膜組成。給水流量以78%的滲透物回收率為目標(biāo)。由于來自輸送管道的錳顆粒導(dǎo)致預(yù)濾器的部分堵塞導(dǎo)致需要更換過濾器七次，這導(dǎo)致進(jìn)料壓力略低，并且滲透物中全氟烷基物質(zhì)的濃度略高于平均值。原水是城市的地下水，這是一個受全氟烷基物質(zhì)污染的地下水井場。每周一次采集原水，滲透水和廢水的樣品，為期35周。使用活性炭和陰離子交換樹脂吸附柱進(jìn)一步處理原水和廢水(圖1)。

　　圖1：使用兩個串聯(lián)的納濾膜處理全氟烷基物質(zhì)污染的原水的示意圖，產(chǎn)生過濾水和膜廢水。另外，使用活性炭或陰離子交換樹脂處理原水和膜廢水。

　　抽樣和分析

　　實驗總計進(jìn)行了12周，每兩周取樣。這導(dǎo)致所有活性炭色譜柱的實驗運行時間為24個，分別處理原水和膜廢水的陰離子交換樹脂色譜柱。在每次采樣之后每周對所有柱進(jìn)行反洗，以模擬典型的全尺寸操作。總共分析了15種全氟烷基物質(zhì)，將吸附材料相對于全氟烷基物質(zhì)去除的性能與柱吸附模型的性能進(jìn)行了比較。

　　納濾膜過程的去除效率

　　廢水與給水的平均濃度因子達(dá)到最高值5，并且對于較長鏈全氟烷基物質(zhì)而言更高。很難得出短鏈與長鏈全氟烷基物質(zhì)的去除效率的結(jié)論，因為長鏈全氟烷基物質(zhì)的給水濃度更高，自然導(dǎo)致更高的濃度因子。本研究中平均去除率>99%高于其他使用NF膜處理含全氟烷基物質(zhì)水的研究。隨著去除效率的降低和NF膜上跨膜壓的增加。與純凈的去離子水溶液相比，他們發(fā)現(xiàn)含有腐殖酸的全氟磺酸鹽溶液的去除效率略有提高。與其研究相比，本研究中發(fā)現(xiàn)的較高去除效率可能已經(jīng)出現(xiàn)，因為給水全氟烷基物質(zhì)濃度較低或使用較低的膜通量。影響去除效率的其他因素包括天然地下水中存在的成分，預(yù)濾器中可能的去除，或膜污染程度，其對有機(jī)微污染物的排斥顯示出正面和負(fù)面影響。一般來說，應(yīng)該小心地與其他研究進(jìn)行比較，因為許多實驗參數(shù)以及水質(zhì)在研究之間通常是顯著不同的。其他研究沒有像本研究那樣使用天然原水，這妨礙了直接的比較。

　　吸附劑的去除效率

　　通過活性炭和陰離子交換樹脂兩種材料，比短鏈同系物更有效地去除更長鏈全氟烷基物質(zhì)(圖2)。這是預(yù)期的，對于活性炭和離子交換材料，疏水效應(yīng)促進(jìn)了較長鏈全氟烷基物質(zhì)的吸附。與早期研究中獲得的結(jié)果一致，全氟磺酸鹽比全氟羧酸鹽保留得更好，這對于陰離子交換樹脂尤為明顯。于處理濃度較低的原水的活性炭柱，觀察到解吸，但對于由膜拒絕水供給的活性炭則沒有觀察到解吸。與活性炭柱處理原水相比，活性炭柱處理廢水時，隨著時間的推移，全氟烷基物質(zhì)去除效率的變化斜率通常不那么陡峭。活性炭處理廢水的全氟羧酸鹽去除效率甚至高于活性炭處理原水。一種可能的解釋是，與原水相比，廢水中較大量的有機(jī)物質(zhì)在處理廢水的塔中產(chǎn)生了額外的吸附位點。此外，如對其他微污染物所觀察到的，在處理廢水的柱中增強(qiáng)的生物膜生長可以增加活性炭對全氟烷基物質(zhì)的吸附能力。在實驗開始時，陰離子交換樹脂比活性炭更好地處理原水和膜廢水。然而，隨著時間的推移，觀察到活性炭材料始終如一地去除約20%的全氟烷基物質(zhì)。與此相反，陰離子交換樹脂顯示隨時間的去除效率的陡峭降低，并且觀察到比實驗結(jié)束時比活性炭的去除效率更低的去除效率，所以選擇活性炭才是復(fù)合經(jīng)濟(jì)實用的。

　　圖2：經(jīng)評價的活性炭材料和陰離子交換樹脂檢測到的全氟烷基物質(zhì)的去除效率。

　　最終，該研究表明，通過膜過濾可以實現(xiàn)從飲用水中去除穩(wěn)定的全氟烷基物質(zhì)，并且使用活性炭對全氟烷基物質(zhì)吸附對于濃縮廢物流的效率可以比對更稀釋的原始給水高四倍。膜處理與活性炭吸附劑的結(jié)合為飲用水供應(yīng)商提供了可靠的全氟烷基物質(zhì)去除，以及使用可再生的活性炭材料進(jìn)行納濾廢物流處理的好處。這種處理方法對納濾濃縮物時提供的更大吸附能力，而不是更稀釋的給水，并解決成本效益計算，以便為從飲用水中去除和預(yù)防全氟烷基物質(zhì)提供具有成本競爭力的解決方案。

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