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活性炭对有机物的去除方法和选择

发布人:管理员 发布时间:2011-09-27 浏览次数:3854

活性炭对有机物的去除方法和选择
一. 活性炭对有机物的去除
1. 活性炭去除有机物的影响因素
活性炭对有机物的去除受有机物溶解特性的影响,主要是有机物的极性和分子大小的影响。由于活性炭表面性质基本上是非极性的,故对分子量同样大小的有机物,溶解度越大、亲水性越强,活性炭对其吸附性越差,反之对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物(如苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等)具有较强的吸附能力。
对于分子量大的有机物,由于其憎水性强,体积大,又由于膜扩散、内扩散控制吸附速度,因而导致吸附速度很慢。
2. 活性炭对有机物的吸附方式
基于上述活性炭对有机物等污染物的吸附现象,可以认为其主要吸附方式为:
一是范德华力(分子间力)吸附,是很弱的力,吸附力与活性炭的性质和活性炭本身的微孔结构有关,两者分子间不发生电子转移,故不形成化学键。
二是物质在活性炭表面之间有电子交换或共享。
前者是物理吸附,是可逆的;后者是化学吸附,是不可逆的。但无论何种吸附方式,都必须接受活性炭本身结构的孔道尺寸是否能够使有机物进入,而后才能被吸附的事实。
3. 活性炭去除有机物的特点
研究认为,分子量在500~3000是活性炭可能吸附的范围,并随分子量的增大,吸附容量减小(见表1)。分子直径大于活性炭孔径的有机物难以被活性炭吸附。若有机分子直径近似于活性炭孔径,则可能堵塞,形成不可逆吸附。
表1   活性炭对不同分子量有机物的去除比较

原水
分子量范围
活性炭进水
TOC(mg/L)
活性炭出水
TOC(mg/L)
去除率
(%)
淮河流域
<0.5×103
0.81
1.39
(0.5~1)×103
1.66
0.59
64.46
(1~3)×103
0.90
0.48
46.67
(3~10)×103
0.06
0.58
北京田村
<0.5×103
0.49
0.49
(0.5~1)×103
0.5
0.15
70
(1~3)×103
1.36
1.15
15.44
(3~10)×103
0.25
0.23
8.00
不被吸附的大分子
堵塞
可逆吸附
图1 活性炭吸附有机物示意

尽管两个原水水质不一样,但活性炭对不同分子量有机物的去除却表现出共同的特性。活性炭对分子量为500~3000的有机物有十分好的去除效果,对分子量小于500和大于3000的有机物没有去除效果。对于分子量小于500的有机物非但没有去除效果,反而还有使其增加的可能,这可能是由于分子量小于500的有机物亲水性较强,易被分子量大于500、且具有比其更强的憎水性的、能进入活性炭微孔内的有机物所取代。活性炭对不同分子量的有机物的吸附量的不同是因为活性炭细孔是最有影响的孔径,即孔径1~10nm被吸附分子直径占活性炭细孔的1/3者,占主要吸附容量,可以说,在此范围内的有机物,基本上是小于2~3nm的有机物,能被活性炭表面吸附(如图1)。

活性炭能吸附除去水中的有机物、胶体、色度、臭味、余氯等等,因此它是净水器中使用最广泛的材料。但活性炭吸附有机物后,这些有机物就成为细菌的极好营养,在活性炭的无数微孔中,细菌、藻类等微生物大量繁殖增生,导致出水细菌及亚硝酸盐超标,加之售后服务没有跟上等等原因,造成上世纪末我国净水器行业几乎全军覆没。相对于桶装纯净水和管道分质供水,净水机具有使用方便、价格实惠、现制现用水质新鲜、无二次污染等等优点,深受广大居民欢迎,是饮用水深度净化中应用最广泛、最有发展前途的处理方式。人们一直认为只要烧开饮用就是安全的,其实开水只是不会引起腹泻而已,烧水过程并不能除去水中那些会引起慢性疾病的杂质,可以说我们长期以来饮用的水不是十分卫生的。所以饮用从终端过滤的水是改善人体体质最直接、最有效的方法。由于行业的快速发展,目前净水器产品的质量和售后服务还存在瓶颈,如安装不规范,净水机变成“漏水机”;滤芯更换无提示,净水机变成“污水机”;运行过程无管控,净水机变成“危险机”,等等。认为,在上述方面必须进行调整,才能让处于成长期的中国净水器行业得到快速、健康的发展。用反渗透技术可生产出纯净水,但反渗透技术耗能高,产水量低,且去掉了几乎所有对人体有效力的微量元素。

二. 去除有机物的活性炭的选择

目前,国内生产的优质活性炭品种很少,且多数属于气相炭(即18~20埃的细孔占绝大多数),自然界的污染物和有机物要比气体分子大很多,使用气相炭是不适当的。据报道,国内还没有专门适用于饮用净水的活性炭。用于市政自来水处理的活性炭是过渡孔隙并不足够多的代产品,所以吸附效果较差,周期短。特别是设计者和应用者往往盲目地按活性炭的一般吸附性指标(即比表面积、碘值、四氯化碳吸附值、亚甲基蓝吸附值)来选取处理天然水的活性炭,这是不恰当的。
例如,椰壳活性炭大部分孔隙直径是18~20埃,其20埃(2nm)以下的微孔占95%以上,尽管这种炭的比表面积最大,达到上千平方米,它只对于气体或小分子具有很高的吸附容量;但对于水中分子量较大、分子体积较大的有机物其吸附程度则受活性炭的过渡孔道的影响,因而用于去除天然水中分子量较大的有机物,需选用过渡孔占高比例的活性炭。
活性炭对碘、四氯化碳、亚甲基蓝这些小分子物质的吸附是可以进入活性炭的微孔中,其吸附值仅是反映了活性炭对小分子物质的吸附能力。
天然水中的有机物主要包括腐殖酸、富维酸等物质,其分子量比碘、亚甲基蓝、四氯化碳(分子量大都在100~200以下)的分子量大得多,故其吸附值不能代表对天然水中有机物的吸附能力。表2为活性炭一般吸附性指标。
表2   活性炭一般吸附性指标(国标GB/TB804-1990)

炭品种
果壳
核桃壳及杏壳
椰子壳
比表面积(m2/g)
682.6
738.3
1024.9
碘吸附值(ml)
833.4
895.7
1111.6
亚甲基蓝吸附值(mg/g)
9
9.5
12.5
CCl4吸附值(%)
41.08
45.11
64.78
球磨强度(%)
94
94
92
灰分(%)
2.0
2.0
2.5

活性炭的吸附容量和吸附速度除了与表面积有关外,还与其吸附动力学因素(即吸附质能否顺利迁移至活性炭孔的表面)有关,如前已述及的观点:吸附分子直径大于孔道直径的1/3以上,吸附运动就会受阻,吸附量就会下降。
各种活性炭吸附性能(吸附容量和吸附速度)排列次序如下表3所示。
表3   活性炭吸附容量和吸附速度的排列

活性炭品种
腐殖酸
富维酸
木质素
丹宁
长江水质运行排列次序
     
10
 
椰壳
     
11
 
果壳
     
3
3
椰壳
2
2
2
2
2
杏壳
1
1
1
1
1
椰壳
     
9
 
椰壳
     
6
 
(日本)椰壳
     
8
4

注:活性炭过滤器失效按吸附量降至15%~20%时为终点,大约运行三个月。

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