活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對超濾膜脫磷的影響

　　地表水中存在多種污染物，難以通過單個過程進行處理和純化。處理地表水的一種方法是將膜技術與另一種單元工藝相結合，例如吸附或離子交換。為了更好的處理被污染的地板上，我們評估了集成吸附/超濾膜過濾系統同時去除磷酸鹽和溶解有機物的能力。比較活性炭和浸漬無定形亞鐵水合物吸附劑(水鐵礦浸漬活性炭)對磷酸鹽的吸附能力。

　　混合吸附-膜過濾過程的性能很大程度上取決于幾個因素，例如吸附劑(活性炭)用量，吸附劑與膜孔的相對大小，膜特性，反吹頻率，反應器尺寸和配置，過濾模式以及溶解有機物濃度的特性。使用鐵浸漬的活性炭吸附劑去除溶解有機物和有機污染物也有人試驗過。為防止孔堵塞或內孔收縮，吸附劑的尺寸應為約50毫米。比膜孔的大小大2-3個數量級，盡管較小的活性炭顆粒比較大的活性炭能更好地吸附污染物，但它們也引起更大的通量膜的通過率下降。顆粒電荷也是混合吸附/膜過濾系統性能的一個因素。

　　膜過濾工藝

　　截留分子量的聚丙烯腈超濾膜過濾實驗裝置如圖1所示。使用前，將膜置于去離子水中24小時以去​​除任何濕潤劑和生產殘留物。膜過濾測試是在可重復使用的聚砜膜過濾器中恒定跨膜壓力下進行的。由在整個操作時間內滲透通過膜的水量計算出濾液通量。在過濾實驗開始時，將活性炭或水鐵礦浸漬活性炭添加到過濾室中。蠕動泵將給水送入上部腔室。使用曝氣裝置使吸附劑保持懸浮狀態并支持微生物活性。并行進行了兩個臺式過濾測試。隨著膜結垢的發展，膜總阻力的增加和濾液通量的下降，進行了測量。由測得的通量和恒定跨膜壓力數據計算出水力阻力。當濾液通量降至初始通量的60%以下時，用去離子水反沖洗以清潔膜，這樣做是為了消除膜表面上的可逆結垢，并使膜具有更長的運行時間。

　　圖1：混合吸附和膜系統的示意圖。

　　活性炭和水鐵礦浸漬活性炭的特性

　　水鐵礦浸漬活性炭顆粒表面似乎具有比活性炭顆粒低的表面粗糙度，這是由于無定形亞鐵水合物納米顆粒截留在活性炭孔中。橫截面SEM圖像以及鐵、氧和二氧化硅含量的元素分布圖如圖2所示。設備掃描了代表性碳顆粒的一個橫截面。將白線繪制到這些圖像中以指示單個活性炭或水鐵礦浸漬活性炭顆粒的可能輪廓。在活性炭顆粒上，未檢測到鐵信號，但明顯的氧氣和二氧化硅信號明顯，表明存在二氧化硅在活性炭內。水鐵礦浸漬活性炭顆粒中存在大量的氧元素，其中一些分布在表面。在外表面周圍均檢測到鐵和氧信號(亮綠色和紅色)。帶有元素映射的SEM-EDS分析反映了活性炭表面上氧化鐵的浸漬。

　　圖2：帶有鐵，氧和二氧化硅的的活性炭和浸漬活性炭的SEM-EDS圖像。

　　磷酸鹽吸附動力學和等溫線

　　磷酸鹽吸附到活性炭和浸漬活性炭吸附劑上的曲線隨時間的變化在圖3a示出。觀察到磷酸鹽分子從液相快速擴散到吸附劑表面，因為吸附量隨時間增加，直到分別在活性炭和浸漬活性炭分別在5分鐘和60分鐘后達到平衡為止。如所預期的，兩種吸附劑表現出不同的吸附行為。活性炭和浸漬活性炭的最大除磷效率分別為15.2%和91.4%。水鐵礦浸漬活性炭較高的磷酸鹽吸附率的可能原因可能是吸附劑表面帶有更多的負電荷，這可以排斥溶液中帶負電荷的磷酸鹽，尤其是無機磷酸鹽。因此，浸漬換頭像顆粒表面的鐵顆粒有助于屏蔽天然的負表面電荷，并促進吸附劑顆粒與磷酸根離子之間的相互作用。再有測試發現磷酸吸附到浸漬活性炭是由化學吸附的過程。

　　圖3：(a)磷酸鹽在活性炭和浸漬活性炭上的吸附動力學，以及(b)對磷酸鹽的吸附等溫線。

　　活性炭對超濾膜脫磷的影響，經過系統地研究了浸漬鐵的活性炭與膜過濾結合使用時的吸附效果。水鐵礦浸漬使活性炭具有同時吸附磷酸鹽和有機物的能力，從而略微減輕了生物膜相關物質對膜的污染。因此，由不可逆結垢引起的跨膜阻力受到限制，有助于介導跨膜通量的下降，并使得通過反吹回收通量成為可能。

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