活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭在廢水中去除微塑料

　　水生環境中的微塑料受到越來越多的關注，污水處理廠的排放是微塑料進入環境的重要途徑。根據一些產品的工藝要求，可以將聚合物與不同的添加劑混合以增強其性能。這些包括增塑劑，抗氧化劑，阻燃劑，紫外線穩定劑，潤滑劑和著色劑，以定制塑料的特性(例如，柔韌性，強度，耐熱性，電絕緣性等)。在制造過程中以及在環境調查中收集的微塑料碎片中發現的最常見的添加劑是鄰苯二甲酸鹽，雙酚A，多溴聯苯醚和壬基酚。在這次研究中，我們使用可熱再生的顆粒活性炭在活性炭塔中研究了微塑料的處理和材料特定的特性。

　　雖然廢水處理技術已經很成熟了，但是還沒有專門設計來控制微塑料等微量污染物。與傳統的污水處理廠工藝相比，某些第三級技術(例如膜生物反應器的微濾技術，微篩濾和沙濾)可以提高微塑料的去除率。為了增強微塑料的去除，從而防止微塑料在自然環境中的流通。在此，在初級和生物處理之后的第三級處理步驟中，提出了基于熱解的熱凝法進行微塑料凝聚和活性炭吸附來進行處理。在污水處理廠的不同處理階段，對污水中特定于物質的微塑料顆粒進行了定量，包括一級沉降池的進水，二級沉降池的最終出水以及帶有熱再生的活性炭塔的廢水。

　　活性炭去除微塑料的中試實驗

　　建造了一個用于微塑料去除實驗的中試規模的設施，該設施由帶有熱再生系統的活性炭塔組成。該設備在接觸塔中運行時的總質量約為800千克活性炭。這個設施是由活性炭單元和過熱蒸汽單元組成的可熱再生裝置。該活性炭塔系統是在污水處理廠上建立的，收集污水樣本以進行微塑料分析。如圖所示圖1A，蒸汽鍋爐中產生高于100℃的飽和蒸汽，并通過管線加熱器轉換為500-700°C的過熱蒸汽。蒸汽過熱進行熱解過程，是由轉換后的過熱蒸汽通過塔內的輻照管噴嘴在有效半徑內噴灑到活性炭上，并提高了活性炭的溫度。通過噴灑500-700°C的過熱蒸汽來蒸發活性炭孔中的水分，并且通過無氧低溫將吸附的一氧化碳或二氧化碳和低分子量化合物與有機物和微塑料分解為水。此時，將未分解的未溶解的低分子量有機化合物與冷凝水混合，并返回到污水處理廠的進水口。從活性炭再生裝置下部排出的蒸汽由熱交換器冷卻，然后引入冷凝水儲罐，并返回到污水處理廠進水或進行后處理。

　　圖1：實驗裝置：(A)中試規模的活性炭裝置(B)用于電凝的實驗室規模的裝置。

　　污水處理廠的微塑料特征和活性炭去除效率

　　在污水處理廠的進水和出水中觀察到未處理的污水樣品中觀察到七個不同的微塑料顆粒，包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，丙烯酸酯(AC)，聚苯乙烯(PS)，聚酯(PES)，醇酸樹脂(AKD)和聚四氟乙烯(PTFE)。PE是最豐富的MP材料類別，占MP顆粒總數的72%，其次是PP(13%)，AC(6%)和其他分數相對較小的聚合物(1-4%)。假定樣品中微塑料材料類別的數量順序與原料的比重有關。具有較低比重的微塑料顆粒可以通過從污水源沉降到污水處理廠的過程中，以較低的重力進行更有效的輸送。在中試規模活性炭裝置的進水和出水中觀察到的MP顆粒的數量濃度和尺寸分布分別顯示在圖2AB中。通過活性炭處理，可以顯著提高微塑料的去除率(92.9%)。特別是，發現活性炭處理在去除比水輕的微塑料(例如PE和PP)以及所有尺寸范圍的微塑料(包括20–50µm尺寸)方面都是有利的，而初級和生物處理很少去除這些微塑料。關于微塑料去除效率，配備活性炭過濾系統的飲用水處理廠獲得了類似的結果(大約89%的去除率)。

　　圖2：活性炭裝置對(A)不同材料和(B)不同尺寸范圍的微塑料顆粒的去除效率。PE：聚乙烯，PP：聚丙烯，AC：丙烯酸酯，PS：聚苯乙烯，PES：聚酯，AKD：醇酸樹脂，PTFE：聚四氟乙烯。

　　電凝微珠

　　經活性炭處理的微塑料尺寸顯著減小，表明需要增強對在水中更穩定的較小微塑料的去除的需要。另外，比水輕的微塑料的活性炭吸附效率比比水重的微塑料的活性炭吸附效率低。因此，進行了初步的電凝實驗，以檢查其作為有效的預處理方法的潛在用途，以增強后續活性炭裝置中較小和較輕的微塑料的去除。從電凝實驗中，逐漸形成微珠的凝結，并隨著時間的流逝目視觀察圖3。微塑料粒徑越小，去除效率，離子強度和天然有機物濃度越高，而濁度水平對去除效率的影響很小。使用輕度離心5分鐘測試凝結的微塑料的水分離性，結果如圖3所示。電凝30分鐘后，不可分離的微塑料下降了90%，此后變化不大，表明絮凝機理在0到30分鐘之間占主導地位。這些結果表明電凝可以有效地增加微塑料的大小和密度，可以在隨后的活性炭吸附過程中輕松去除。

　　圖3：電凝實驗的結果：(A)微珠聚集的過程，(B)隨著時間的流逝通過離心濃縮不可分離的微珠。每個數據點都是重復實驗的平均值。

　　活性炭在廢水中去除微塑料，本研究提供了對使用活性炭進行三次處理的污水處理廠中的微塑性控制有效性的一個見解，該技術可去除進入系統的總微塑料顆粒的92%以上。而且，結果表明，采用活性炭熱再生處理可去除尺寸為20至50µm的微塑料，然而一般污水處理廠無法去除小于200µm的微塑料。另一方面，電凝可在凝結30分鐘內提高去除效率。發現電凝是通過增加微塑料的尺寸和密度來提高微塑料顆粒的去除效率的良好選擇。因此，建議將常規生物處理，電凝和活性炭與熱再生相結合，作為應對與微危害性材料(如微塑料)有關的新興環境問題的處理方案。

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