活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　受全氟烷基物質污染的飲用水由于常規飲用水處理廠中多氟烷基物質去除不良造成的。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污染的原水以及膜廢水，并檢查全氟烷基物質濃度因子對其的影響和吸附劑的吸附性能。

　　全氟烷基物質是一組具有獨特物理化學性質的人造化學品。它們具有排斥油和水的能力以及耐久性，這些性質使它們成為廣泛應用的化學品。一般存在與地表水中這樣導致了飲用水的全氟烷基物質濃度過高。由于低效的處理技術或通過破壞性方法轉化多氟烷基物質前體，常規飲用水處理通常導致成品飲用水中的多氟烷基物質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。

　　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的NF膜組成。給水流量以78%的滲透物回收率為目標。由于來自輸送管道的錳顆粒導致預濾器的部分堵塞導致需要更換過濾器七次，這導致進料壓力略低，并且滲透物中全氟烷基物質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一步處理原水和廢水(圖1)。

　　圖1：使用兩個串聯的納濾膜處理全氟烷基物質污染的原水的示意圖，產生過濾水和膜廢水。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

　　實驗總計進行了12周，每兩周取樣。這導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，將吸附材料相對于全氟烷基物質去除的性能與柱吸附模型的性能進行了比較。

　　納濾膜過程的去除效率

　　廢水與給水的平均濃度因子達到最高值5，并且對于較長鏈全氟烷基物質而言更高。很難得出短鏈與長鏈全氟烷基物質的去除效率的結論，因為長鏈全氟烷基物質的給水濃度更高，自然導致更高的濃度因子。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，他們發現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，本研究中發現的較高去除效率可能已經出現，因為給水全氟烷基物質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，預濾器中可能的去除，或膜污染程度，其對有機微污染物的排斥顯示出正面和負面影響。一般來說，應該小心地與其他研究進行比較，因為許多實驗參數以及水質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(圖2)。這是預期的，對于活性炭和離子交換材料，疏水效應促進了較長鏈全氟烷基物質的吸附。與早期研究中獲得的結果一致，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物質在處理廢水的塔中產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的生物膜生長可以增加活性炭對全氟烷基物質的吸附能力。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。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合經濟實用的。

　　圖2：經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的去除效率。

　　最終，該研究表明，通過膜過濾可以實現從飲用水中去除穩定的全氟烷基物質，并且使用活性炭對全氟烷基物質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合為飲用水供應商提供了可靠的全氟烷基物質去除，以及使用可再生的活性炭材料進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防全氟烷基物質提供具有成本競爭力的解決方案。

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