活性炭在饮用水处理中的应用(一)

　　随着人们对生活饮用水水质要求的提 高 ,活性炭在饮用水处理中的应用 ,受到广泛 的重视。本文主要就活性炭在饮用水处理中 的应用作些介绍。 1 　活性炭的吸附特性 111 活性炭的特性 活性炭是用含炭为主的物质作原料 ,经 高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂 ,因此 它具有良好的吸附性及稳定化学性能 ,可以 耐强酸及强碱 ,能经受水浸、高温、高压的作 用 ,不易破碎 ,便于在工业上使用。 1. 1. 1 细孔构造和细孔分布 活性炭的细孔是在原料进行活化过程 中 ,含炭有机物去除后使基本晶格间生成孔 隙 ,形成很多的各种形状和大小的细孔 ,孔壁 的总面积即为表面积 ,每克活性炭具有的表 面积(m2)通常称为比表面积 ,活性炭的比表 面积高达 700～1600m2/ g。由于这样大的表 面积 ,使活性炭具有较强的吸附能力 ,但是表 面积相同的活性炭其吸附量不一定相同 ,这 是细孔构造和分布不同所致。 活性炭的细孔构造随活化方法及活化条 件不同而异 ,可根据细孔的大小分为 3 种:大 cm) ,中孔 (过渡孔) 半径 20～1000A°,微孔 (小孔) 半径小于 20A°。 一般活性炭微孔容积约为 0. 15～0.9 mL/ g ,表面积占单位重量吸附剂总面积的 95 %以上 ,因此活性炭与其他吸附剂相比 ,具 有微孔特别发达的特征 ,吸附量的大小在相 当程度上决定于微孔的多少。

孔(巨孔) 半径 1000～100000A°, (A°= 108

中孔的容积为 0. 02～0. 10mL/ g ,表面积 不超过单位重量吸附剂总面积的 5 %,液相吸 附时 ,吸附质分子直径较大 ,如着色成分的分 子直径多在 30A°以上 ,这时小孔几乎不起作 用 ,中孔发达的话是很有利的 ,有些吸附质通 过中孔作为通道扩散到微孔中去 ,因此吸附质 的扩散速度受中孔的多少的影响。活性炭的 小孔分布及各部位所担负的作用见图 1。

图 1 　活性炭细孔分布及吸附作用示意图 1. 1. 2 表面化学性质

活性炭的吸附特性不仅受小孔构造的影 响 ,而且受表面化学性质的影响。 活性炭除碳元素外 ,还含有两种混合物 , 一是以化学键结合的元素 ,如氧和氢;另一种 是灰分 ,其灰分随活性炭种类不同而异 ,椰壳 炭灰分小于 3 % ,而煤质活性炭灰分高达 20 %～30 %左右 ,活性炭中含硫是比较低的 , 质量好的活性炭不应检出硫化物。 氢和氧的存在对活性炭的性质有很大的 影响 ,因为这些元素与碳以化学键结合 ,而使 活性炭的表面积上有了各种有机官能团形式

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38 活性炭在饮用水处理中的应用(一)

的氧化物及碳氢化物 ,这些氧化物和碳氢化 物使活性炭与吸附质分子发生化学作用 ,显 示出活性炭在吸附过程中的选择吸附特性。 1. 2 活性炭的吸附特性 引起物质在两相界面上浓度自动发生变化 的原因是吸附剂和吸附物质之间存在着3种不 同的作用力,即分子间力、化学键力和静电引力, 这3种不同作用力形成3种不同类型的吸附。 (1) 物理吸附 分子力产生的吸附称为物理吸附 ,它的 特点是被吸附的分子不是附着在吸附剂表面 固定点上 ,而稍能在界面上作自由移动 ,它是 一个放热过程、吸附热较小、一般为 21～ 41. 8kJ/ mol ,不需要活化能 ,在低温条件下即 可进行。可逆 ,即在吸附的同时 ,被吸附的分 子由于热运动还会离开固体表面 ,这种现象 称为解吸 ,物理吸附可以形成单分子层吸附 又可形成多分子层吸附 ,由于分子力的普遍 存在 ,一种吸附剂可以吸附多种物质 ,但由于 吸附物质不同 ,吸附量也有所差别 ,这种吸附 现象与吸附剂的表面积、细孔分布有着密切 关系 ,也和吸附剂表面力有关。 活性炭对芳香族化合物吸附优于对非芳 香族化合物的吸附 ,如对苯的吸附优于对环己 剂只能对某种或特定几种物质有吸附作用 , 因此化学吸附只能是单分子层吸附 ,吸附是 较稳定的 ,不易解吸 ,这种吸附与吸附剂的表 面化学性质有关 ,与吸附质的化学性质有关。 活性炭在制造过程中 ,由于制造工艺不 一样 ,活性炭表面往往有碱性氧化物易吸附 溶液中酸性物质 ,若活性炭表面呈酸性氧化 物易吸附溶液中碱性物质。 (3) 变换吸附 一种物质的离子由于静电引力聚集在吸 附剂表面的带电点上 ,在吸附过程中 ,伴随着 等量离子的变换 ,离子的电荷是交换吸附的 决定因素 ,被吸附的物质往往发生了化学变 化 ,改变了原来被吸附物质的化学性质 ,这种 吸附也是不可逆的 ,因此仍属于化学吸附 ,若 活性炭经再生也很难恢复到原来的性质。 在水处理过程中 ,活性炭吸附过程多为 几种吸附现象的综合作用。 2 　影响活性炭吸附的因素 2. 1 活性炭的性质 活性炭的物理及化学性质决定其吸附效 果 ,而活性炭的性质又与活性炭制造时使用 的原料加工方法及活化条件有关。用于水处 理的活性炭应有 3 项要求:吸附容量大、吸附

烷的吸附。对苯的吸附要高于对吡啶的吸附。 速度快及机械强度好 ,活性炭的吸附容量除

对带有支链烃类的吸附 ,优于对直链烃 类的吸附。 对分子量大的沸点高的有机化合物的吸 附总是高于分子量小的沸点低的有机化合物 的吸附等。 (2) 化学吸附 活性炭在制造过程中炭表面能生成一些 功能团 ,如羧基、羟基、羰基等 ,所以活性炭也 能进行化学吸附。 吸附剂和吸附质之间靠化学键的作用 , 发生化学反应 ,使吸附剂与吸附质之间牢固 其他外界条件外 ,主要与活性炭的比表面积 有关 ,比表面积大 ,说明细孔数量多 ,可吸附 在细孔壁上的吸附质就多 ,吸附速度主要与 粒度及细孔分布有关 ,对于水处理的活性炭 , 要求中孔 (过渡孔) 半径 20～1000A°较为发 达 ,有利于吸附质向细孔中扩散 ,活性炭粒度 越细 ,吸附速度越快 ,但水头损失要增加 ,一 般在 8～30 目范围较宜。活性炭的机械耐磨 强度直接影响活性炭的使用寿命。 2. 2 吸附质的性质及浓度 活性炭吸附溶质的量与溶质在溶剂中溶

地联系在一起 ,这种联接过程是放热过程。 解度有关 ,如活性炭从水中吸附有机酸的次

由于化学反应需大量的活化能 ,一般需要在 较高的温度下进行 ,吸附热较大 ,在 41. 8～ 418kJ/ mol 范围内 ,为选择性吸附 ,一种吸附 序是按甲酸、乙酸、丙酸、丁酸顺序增加 ,溶解 度越小 ,活性炭越易吸附 ,有机物在水中溶解 度随分子链增加而减小 ,而吸附容量是随分

而增加。 活性炭是非极性的吸附剂 ,可以在极性 溶液中吸附非极性或极性小的溶质。 活性炭处理废水时 ,对芳香族化合物的 吸附效果较脂肪族化合物好 ,不饱和链有机 物较饱和有机物好 ,在同系统中 ,活性炭吸附 大分子有机物较小分子有机物好。 2. 3 溶液 pH 值的影响 由于活性炭能吸附水中 H+ ,OH- ,因此 影响对其他离子的吸附 ,因 pH 值控制某些 化合物的离解度和溶解度。不同溶质吸附的 最佳 pH值应通过实验来确定 ,一般情况下 pH 值高时 ,吸附效果就差。 2. 4 温度的影响剂吸附单位重量吸附质放出的总热量称 为吸附热,吸附热越大,则温度对吸附的影响越大, 对于液相吸附,在水处理时主要为物理吸附,吸附 热较小,温度变化对吸附容量影响较小,对有些溶 质,温度高时,溶解度变大,对吸附不利。 2. 5 多组分溶质的共存 活性炭通常不是吸附单一品种污染物 , 往往是多种污染物同时存在于液相中。由于 性质不同 ,它们可以互相促进 ,干扰或互不干 扰 ,活性炭对混合溶质的吸附较纯溶质的吸 附为差 ,当溶液中存在其他溶质时 ,会导致另 一种溶质的吸附很快穿透 ,但有时活性炭对 混合溶质的总吸附效果较单一组分要高。 (待续)

活性炭在饮用水处理中的应用(二)
活性炭的选择 在给水处理中使用的活性炭 ,必须经过 认真的选择 ,因为活性炭品种较多 ,性能不 一 ,用途各异 ,价格昂贵 ,而所处理 水质各不 相同 ,所以用于给水的活性炭 ,必须进行认真 的选择 ,首先选择的活性炭应具有较好的吸 附性能 ,再生后性能恢复较好。化学稳定性 好 ,机械性能好 ,其次要考虑价格适中 ,来源 方便。最后要对活性炭进行吸附容量测定、 吸附等温线测定、柱子试验以及再生试验等。 3. 1 收集完整的活性炭性能技术指标 用于给水处理的活性炭 ,必须从活性炭 生产厂商处取得完整的经法定检测单位检测 的技术性能参数报告或说明书 ,作为选择活 性炭的依据之一 ,因为活性炭在生产过程中 采用工艺流程不一样 ,各活性炭产品的性能 差别很大 ,其碘值、亚甲蓝值、机械强度、比表 面积、总孔容积、中孔容积、堆积容重等都是 必须收集的活性炭性能技术指标。表 1 为我 国用于水处理的木质活性炭国家标准。煤质 活性炭也有用于净化饮用水的 ,其质量对情 况 GB7701 - 87《净化水用煤质颗粒活性炭》。 3. 2 活性炭的细孔构造 活性炭在制造过程中 ,由于材质和工艺 上的差异 ,经过活化 ,往往使活性炭内部所形 成的大孔、中孔、微孔的比表面积比率都不一 想 ,3 种孔径在水处理中所起的作用不一样 , 大孔主要起通道作用 ,即水中有机污染物经 过大孔能顺利而通畅地进入中孔或微孔 ,中 孔除了起通道作用使被吸附物质达到微孔之 外 ,还能对分子半径较大的有机物质起到直

接吸附的作用。微孔能吸附液相中 10A°以 下分子有机物 ,它的容积和比表面积标志着 活性炭吸附能力的优劣。对于水处理活性炭 来说 ,微孔担负着除去水中有机物的极其重 要的角色 ,给水用活性炭最好选择微孔和过 渡孔(中孔)都较为发达和比表面积较大的活 性炭品种。

3. 3 活性炭的碘值、亚甲蓝值 通过测定活性炭的孔隙分布及比表面积 来选择活性炭较为费时、费力 ,一般可通过测 定活性炭的碘值和亚甲蓝值来进行选炭 ,大 量文献报道选用能去除水中 CODcr ,TOC 以 及其他有机污染物的活性炭碘值要大于 900mg/ g ,亚甲蓝值应大于 120mg/ g。 碘分子直径约为 10～15A°,亚甲蓝分子 直径在 15～18A°之间 ,而木质炭(椰壳炭)大
部分孔隙的直径在 18～40A°,非常适合水中 小分子有机物的吸附 ,对水中大分子有机物 的吸附 ,由中孔、大孔来解决 ,因此碘值、亚甲 蓝值这二项指标仍然是目前衡量和评价活性 炭的传统指标。 3. 4 活性炭吸附容量的测定 选择水处理用活性炭 ,除了测定其碘值、 亚甲蓝值之外 ,还要测定活性炭吸附容量的 大小。所谓吸附容量 ,是指单位重量吸附剂 的平衡点上吸附溶质的量称为平衡吸附容

量。活性炭吸附水中污染物达到一定程度 时 ,污染物被活性炭吸附量与该污染物在水 中的浓度之间达到平衡 ,此时活性炭对污染 物质吸附量不再增加。 在一定温度下 ,达到平衡时 ,活性炭的吸 附容量与其周围被吸附质浓度之间的相应关 系 ,可以用吸附等温线来表示 ,吸附 等温线 可用弗里德里胥 (Freundlich) 等温方程式表 方程取对数得:log(X/ m) =logK+ (1/ n)logC 式中 X/ m ———单位重量活性炭对吸附 质达到平衡时的吸附量 ,单位 mg/ g K ———下限吸附量 ,吸附等温线截距 (双 对数纸上作图) 1/ n ———吸附容量指数 ,吸附等温线斜率 C ———活性炭吸附后溶液中被吸附污染 物处于平衡状况下的剩余浓度 ,单位 mg/L 利用上述公式可以把同类型的活性炭在 相同温度和工艺条件下获得的试验数据 ,用 X/ m 对 C 在双对数纸上作图可得到直线性 的吸附等温线 ,用等温线可以说明不同炭种 的相对吸附效率 ,如图 2。从图可以分析:A 炭和 B 炭相比 ,A 炭下限吸附容量比 B 炭下 限吸附容量高 ,A 炭的吸附能力在整个测定 的浓度范围内均高于 B 炭 ,因此 A 炭优于 B 炭。 B 炭和 C 炭相比 ,B 炭下限吸附容量比 C 炭下限吸附容量低 ,即 B 炭在低浓度范围 内吸附容量比 C 炭低 ,而在高浓度范围内 B 炭吸附量则比 C 炭高。

示:X/ m = KC1/ n

37

图 2 　吸附等温线

　　根据B 炭和 C 炭的特点 ,等温线斜率较 大的 B 炭适合于污染浓度较高的水处理 ,并 且适用于与水对流式接触的移动床装炭层过 滤的场合 ,C 炭适合用在固定床接触法过滤 的场合下使用。 (1) 静态吸附容量测试具体步骤 取水源水加氯 ,加矾 ,快速搅拌 2min ,慢 速搅拌 15min 澄清后 ,上清水进行砂滤 ,取过 滤水供试验用(如用自来水试验可不进行上 述处理) 。

取 5 只1000mL 烧杯各加试验水1000 mL ,向烧杯中分别加入10、 、 、 、 mg 20 30 40 50 经预先粉碎成200目 ,并在115 ±5 ℃烘干的活 性炭 ,以每分钟180转的速度在搅拌机上按预 先测定的达到吸附平衡的时间进行搅拌后 , 测定过滤水中的被去除物质的剩余浓度 ,每 种活性炭都要进行上述试验。图 3 为 6 种活

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性炭处理某湖水的等温吸附线。 根据等温曲线图 ,将结果代入弗里德里 胥方程后可获得表 2 的结果 ,从 K值可看出 C 炭所显示的吸附力最好 ,F 炭吸附力最差 , 其顺序为 C > A >B >D > E > F。 表 2 　6 种活性炭的吸附等温式 K,1/ n 值

炭种 C A B K 780 500 450 1/ n 0. 65 0. 97 1. 09 炭种 D E F K 370 41 28 1/ n 0. 76 1. 09 1. 09

也为进水浓度的 95 %。

　　当然对炭的最终选择还要研究一下 K、 1/ n 值的大小。 (2) 动态柱子试验测定吸附量和吸附带 长度 在动态试验条件下 ,可求出实际设备设 计的通水倍数 ,最适流速、吸附带长度和单位 重量活性炭的吸附量。 试验装置: 柱子采用有机玻璃管 ,内径 25～80mm , 高 1000mm ,4～5 根 ,水泵 1 台 ,试验装置如 图 4 ,活性炭总高度因吸附带长度随吸附物 质的吸附速度而异 ,不能笼统地规定。 为了取得相关数据 ,要在柱子层高 0. 5m 或 1. 0m 处设取样阀门 ,给水厂选择炭种时 一般将试验水接在快滤池出水后面。 操作步骤: 1) 充填选炭 ,先在柱子中装水 ,加炭时 , 边加炭边使水溢流 ,待炭层高度加到 1. 0m 左右记下装炭重量 ,柱子数由试验决定。 2) 串联通水试验 ,对各柱子出水的污染 物进行分析 ,如最后出水达不到要求 ,还需增 加柱子。 3) 如图 4 ,当第一根柱子出水中的污染 物浓度为进水浓度的 95 %时 ,将第一根柱子 取下来 ,再将装有新炭的柱子接在最后柱子 后面。 4) 再由第二根柱子通水直到第二根出水 浓度也为进水浓度 95 %左右停止试验 ,再进 行换柱以此类推直至最后一根柱子出水浓度

图 4 　柱子实验装置组装示意图

试验结果进行整理: 1) 将各柱子出水浓度分析结果 ,作出水 流出曲线图 ,图 5。

图 5 　各柱流出曲线 2) 根据第二根柱子充填的活性炭所吸附

污染物质的量(相当于两根虚线所包面积所 对应的污染物量) ,计算出单位重量活性炭的 动态吸附量(即饱和吸附量) 。 3) 根据饱和吸附量及处理水累积体积 , 可求出活性炭通液倍数。 4) 根据每根柱子出水浓度 ,绘出泄漏量 与碳层高度曲线。(第一根虚线与三根曲线 的交点即代表三个不同炭层高度污染物的不

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净水技术 Vol. 18 No. 2 2000

同泄漏量;第二根虚线与二根曲线的交点 ,代 表了另两高度的泄漏量) 。可求出实际需要 吸附带高度 ,如图 6

39

除有机物的效率高 ,除铁、锰效果好 ,用活性 炭处理水 ,希望色度能降低到 10 度以下 ,最 好 5 度以下。 嗅、味 —去除嗅和味是活性炭处理的有 效功能 ,水中的嗅味往往是和水中的污染物 甚至有毒害的污染物相关的。 耗氧量 CODMn —是水中能被 KMnO4 氧 化的那部分有机物 ,大体上与有机物成正相 关 ,耗氧量降低了 ,那些有毒害的有机物才能 降低 ,有条件时也可测定水中的总溶解性有 机炭 DOC。 紫外线消光值 Euv(254) —水中的腐殖 质 ,芳香类有机物、多环芳烃类有机物与 Euv 有相关关系 ,它反映了水中消毒副产物母体 的多少。 此外尚有其他一些水质指标 ,将在后面 论述中介绍。 下面将分别介绍粉末活性炭和颗粒活性 炭在饮用水处理中的应用: 4. 1 粉末活性炭处理 粉末活性炭往往用于自来水发生突发性 水源污染之际 ,大都采用 200～300 目活性 炭 ,投加粉末活性炭需备有专用设备 ,将粉末 炭与水搅拌调成浆状液体 ,然后经计量设备 投加入规定的投加点 ,有时单纯加粉炭净水 , 有时辅以其他药剂。 (1) 单纯投加粉末活性炭 自来水厂投加粉末活性炭要注意选择好 投加点 ,活性炭与混凝剂有竞争吸附的情况 , 投加点前移 ,对可由混凝剂生成的絮体 (矾 花)吸附的有机物吸附得越多 ,削弱了活性炭 的作用 ,滤池前投加 ,接触时间不足 ,并易穿 透或堵塞滤层。经研究认为在混合池后 ,絮 凝池的中部投加为宜 ,既避免炭与絮体之间 的吸附竞争 ,又保证了吸附时间 ,炭附着于絮 体表面 ,炭与水的分离效果也好。 投加剂量视所处理水质而定 ,一般可用 10 —15mg/ L ,污染较严重时可加至 40mg/ L 或更多。

降低。Ames 致突变试验突变率 MR (7) 才能

图 6 　柱子长度和泄漏量 4 　活性炭在饮用水处理中的应用

根据报导 ,在水体中发现的有机物达到 2221 种 ,美国环境保护署 USEPA 早就提出 了水中首要控制的污染物 129 种 ,其中有机 物 114 种 ,我国国家环保局于 1989 年 4 月通 过了“中国环境优先监测研究”课题鉴定 ,确 定了“水中优先控制污染物黑名单”含 68 种 污染物 ,其中有机物 58 种 ,这些优先控制物 包括挥发性卤代烃、苯系物、氯代苯类、多氯 联苯、酚类、硝基苯类、苯胺类、多环芳烃类、 酞酸酯类、农药、丙烯腈、亚硝胺类、氰化物、 重金属及其化合物、砷及其化合物。1993 年 颁布的世界卫生组织 WHO“饮用水水质准 则”中除去微生物学指标 ,放射性指标外 ,共 列出了化学指标 131 个 ,其中无机物 36 个 , 有机物 31 个 ,农药 36 个 ,消毒剂及消毒副产 品 28 个 ,由此可见在水处理工艺中去除有毒 有害的有机物、无机物是全世界范围的任务 , 在探讨以活性炭处理饮用水的净水效率时 , 应该以这些水质指标为考核依据。但在日常 试验中我们往往首先考核与这些指标有关的 监测方便的水质指标 ,它们是: 色度 —水的色度来源于腐殖质 ,动植物 腐败物 ,工业废水排放的有机物和铁、锰等 , 与水中各种有机物、无机物有一定的相关 ,腐 殖质又是消毒副产品的前体。色度低表明去

40 表 3 活性炭在饮用水处理中的应用(二) 粉末活性炭净水效率

水质指标 嗅味 阴离子合成洗涤剂 酚 TTHMs CCl4 NH3 - N Ames 试验 耗氧量 CODMn 藻类 去除率 % 53.8 50 - 80 80 > 50 10 无 有改善 20 - 40 70

　　综合一些试验资料 ,粉末活性炭的净水 效果如表 3。 有试验发现 ,活性炭处理后水的耗氧量 有所增加 ,可能是水中的炭吸附氯的结果 ,也 可能与氯发生作用: C + 2HCIO CO2 + 2HCI 有人研究发现 ,在混合池中加入 KMnO4 氧化水中的有机物 ,在絮凝池中投加粉末活 性炭 ,KMnO4 既有去除污染和消毒副产物的 前体作用 ,又有促进粉末活性炭对有机物的 吸附作用。 (2) 粉末活性炭与硅藻土联用 硅藻土为一种非晶体无定形物质 ,是古 代硅藻遗骸形成的多孔疏松的土状化石 ,50 年代即用于水处理 ,近十几年来 ,将其与粉末 活性炭混合使用 ,进一步提高其去除有机物 污染物的能力 ,过滤工艺流程示意如图 7

附 　　注 原水藻类2370- 5700/ mL

心的筒状滤网底部及筒壁流入 ,从上部筒口 流出 ,并循环 15～30min 后 ,在滤网表面形成 约 1 - 2mm 的滤膜。 过滤阶段:待处理的饮用水进入滤器 ,通 过滤网的滤膜污染物被截留 ,为减缓滤膜前 后压力差的增长 ,在过滤过程中需要投加适 量硅藻土和粉末活性炭的混合粉末 ,称为“附 加剂”,以不断形成新的疏松滤膜 ,达到减缓 压力差的增长 ,延长过滤周期 ,初始滤速采用 (以滤网面积计) 2. 4m3/ m2h ,一般过滤 8 小 时即需冲洗。 反冲洗阶段:采用反向水流进行冲洗 ,将 截留的污染物和滤膜一并冲掉以便重新预 涂 ,反冲洗强度一般取 8～10L/ s. m2 ,历时 5min. 净水效率的实例见表 4。 表 4 　PDF技术对卤代烃及有机物的去除效果

测试项目 CHCl3(μg/ L) CCl4(μg/ L) 色谱总峰面积 CODMn(mg/ L) UV254(cm - )

1

进水 52. 499 42. 342 520015 4. 05 0. 107 出水 16. 614 7. 194 117478 2. 14 0. 020 去除率 % 68. 35 83. 01 77. 02 47. 23 81. 15

图 7 　PDF 技术工艺流程示意图 　　　11 调节水箱 　21 附加剂投加箱 　31 预涂箱 　　　41DE过滤器 　51 流量计

净水工艺由预涂、过滤、反冲洗三步构 成。 预涂阶段:将配制成一定浓度的硅藻土 与粉末活性炭混合浆液“预涂剂”用泵入过滤 器中 ,预涂剂在过滤器中经过与滤器纵轴同

注:工况条件为预涂剂中投加量为 540g/ m2 ,硅藻土为 260g/ m2 ,附加剂中 PAC 投加量为 120mg/ L , 四氯化碳 (CCl4) 进出水均未检出。表中数据为平均值

此种净水工艺附加上消毒器及精滤器形 成的成套设备已进入市场 ,也有在预涂剂溶 液中加入絮凝剂如 Al2 (SO4)3 或聚丙烯酰 胺 ,则滤膜材料可重复使用多次。(待续)

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其中以上海木质活性炭的孔隙结构最为发达。
2.2徽观结构的裹征
用强力胶水将各种活性炭固定在不同的瓷片
上，干燥后，经粗磨，及在氧化铬上细磨后用于荧光
显微结构分析各种活性炭的分析照片如图1所示。
A:上海木质活性炭
B:福建木质活性炭
用Toc的量代表黄腐酸的浓度。同时建立黄
腐酸溶液TOC与W，的关系，实验中配制一系列
不同浓度的黄腐酸，测定其TOC与UVz}的关系，
测定它们之间的相关性，其关系式如下:
C.,.}23.14A },
实验中，活性炭的投加量均为ZOmg/L，黄腐酸
的投加浓度A。均为0.297cm}’。将配制好的混合
液在摇床上以120r/min的速度震荡60min.温度控
制为20 C，离心混合液，测定上清液的吸光度值。每
一样品平行测定三次，取平均值，结果如表2e
衰2四种活性炭对黄启咬的吸附性能比较
活性炭类型
吸光度测定结果
{21
平均值
C:茂名木质活性炭
D:山西煤质活性炭
图1各种活性炭的荧光显微结构(200倍)
上海木质
福建木质
茂名木质
山西煤质
0.169
0.196
0.185
0.228
0.178
D.V86
0.:>03
0.’.136
0.181
0.201
0.201
0.217
0.176
0.194
0.196
0.227
由它们的微观结构表征图可以看出，木质活性
炭的表面上其微孔非常丰富，而且分布均匀，而山
西煤质活性炭表面上微孔很少，且极不均匀。这也
就是木质活性炭与煤质活性炭的比表面积相差很
大的原因。比较它们的形态可以看出，木质活性炭
的形态变化比较大，而煤质活性炭主要以条形为
主。比较各种活性炭孔隙的大小得知，上海木质活
性炭的孔径较大，而茂名木质活性炭和福建木质活
性炭的孔径较小，对于山西煤质活性炭，其孔径差
别也很大，最大的与最小的相差近10倍。
2.3两种不同物质的吸附性能比较
在试验过程中，选用四种不同地区的活性炭(山
西煤质、福建木质、上海木质和茂名木质)对水体中
常见的天然有机质黄腐酸和苯酚做吸附模拟，比较
各种活性炭吸附性能的差异。
2.3.1对黄腐故的吸附性能比较
在天然水体中，黄腐酸作为各种天然有机体的
最终裂解产物在各种水体中都会存在，而且是引起
水体色度的一个重要因素之一。将黄腐酸作为研究
活性炭吸附性能的对象之一，不仅能够评价其对有
机物质的吸附性能，而且还可以以其脱色性能作为
一个参考的评价指标。
使用由泥炭中提取的黄腐酸作为研究对象。泥
炭由美国地质调查局获得的标准样品。将泥炭经过
预处理，去除其中的碳酸盐、硅酸盐等无机组分和
腐殖酸。
试验过程用Wzu反映TOC的大小，最后将
Uv均转化为黄腐酸的浓度，计算各种活性炭在相同
条件下对黄腐酸的吸附量，比较各自的吸附性能。
由表2中的数据比较可知，上海木质、福建木
质、茂名木质和山西煤质活性炭在用纯水配制的黄
腐酸溶液中，对黄腐酸的吸附量分别为:700,595,
584和405mg/g。由此可以看出上海木质活性炭在
四种活性炭中的吸附性能最好，它们对黄腐酸吸附
性能大小的顺序为:上海木质>福建木质>茂名木
质>山西煤质。
2.3.2各种活性炭对笨盼吸附性能的比较
在水源水中，苯酚的浓度一般不会超过
0.002mg/L，在实验中，配制三种不同浓度的苯酚溶
液is },叭，向各溶液中投加活性炭，使活性炭的浓
度为20m叭。在恒定温度2o0c，以120r/min的速率
分别振摇O.s,1,2,3,4,6h后，分离上清液，汉组定上
清液中苯酚的浓度，计算各种活性炭在各时间点上
-闷卜户上海木质
一嘴)-福建木质
-幽~茂名木质
-。，.山西煤质
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吸附时间(h)
图2四种活性炭对苯酚的吸附平衡曲线

对各种浓度的苯酚的吸附量。
由图2可知，苯酚在四种活性炭上的吸附基本
上在1h就达到了吸附平衡。苯酚在四种活性炭上
的平衡吸附量也有很大的差别，其中上海木质活性
炭对苯酚的吸附量几乎是山西煤质活性炭的一倍。
四种活性炭的吸附性能比较，它们的大小顺序为:
上海木质>茂名木质>福建木质>山西煤质。
由两种物质在四种活性炭上的平衡吸附量比
较可以看出，在黄腐酸的吸附量比较中，福建木质
活性炭的吸附量比茂名木质的吸附量高，而在苯酚
的吸附平衡中，茂名木质活性炭的吸附量反而比福
建木质活性炭的高。从量化的比表面积比较分析，
茂名木质活性炭的比表面积略大于福建木质活性
炭，这就说明茂名木质活性炭的吸附位比福建木质
活性炭相应地多，对小分子物质的吸附量就相应地
大。但是由于活性炭对物质的吸附还受其孔隙结构
的影响，活性炭的孔隙太小，而相应被吸附的物质
分子太大，吸附质就不能进入到活性炭的孔隙结构
中，而仅在活性炭的表面吸附，从而降低了其相应
的吸附效率。黄腐酸在两种活性炭上吸附量的差异
主要是由于其分子较大的缘故。
同时比较各种活性炭对黄腐酸和苯酚的吸附
量可以看出，四种活性炭对黄腐酸的吸附量明显比
苯酚的吸附量大很多，吸附量的差异主要由于它们
分子结构的差异而引起。分子立体结构越大，单位
表面上其所占的空间就越大，这样就导致了相应的
吸附量的升高。
3结论
无论从比表面积的测定，还是微孔结构的分析
比较和两种分子大小不同的有机物的吸附性能比
较分析可知，木质活性炭的吸附性能通常比煤质活
性炭的吸附性能好。
在应用粉末活性炭吸附去除有机物时，活性炭
比表面积的大小一般可以作为衡量其吸附性能大
小的一个因素，但由于各种活性炭的微孔结构存在
着差异，它们对不同分子大小的有机物吸附性能也
可能由此发生变化。
今考文做:
[1]邓义敏一滇池水中有机物去除技术探讨闭.云南环境科学，1996,
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f21张小满，曹达文，高廷耀，徐迪民，范瑾初，李景华，等、常规水处
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[6】金伟，李怀正，范瑾初.粉末活性炭吸附技术应用的关键问题
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口〕个贵蝉，赛兴超，吴天宝.叶裕才，沈承越‘城市污水地下回灌深
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[8]皮运正，吴天宝，陈维芳‘可吸附有机卤化物的深度处理实验研
究[J].环境污染与防治，2001, 23 ( 2 ) :49-51.

粉末活性炭吸附性能对比研究
赵振业’，章诗芳2，孙伟’，肖贤明‘
(1.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东省资源利用与保护重点实验室，
广东广州510640: 2.广州市自来水公司，广东广州)
摘要:通过测定不同活性炭的比表面积，和它们的荧光显微微观结构分析，以及它们对水体中常见的黄腐酸和苯
酚两种不同分子大小的有机物吸附性能比较得知，活性炭对有机物的吸附量的大小不仅与其比表面积大小有关，
而且还与它们的微孔结构大小和有机物分子结构的大小有直接的关系，为粉末活性炭在饮用水处理的应用提供一
定的指导依据。
关钻甸:粉末活性炭;饮用水;吸附
中圈分类号:TQ424.1文做标识码aA文童摘号:1000-3770(2005)08-0018-03
饮用水中的有机微污染物现在已经引起了国
内外同行业的普遍关注，在各种去除方式的对比研
究中，活性炭吸附技术在去除水体中的有机污染物
方面目前已经得到了广泛的认可。与颗粒活性炭
CGAC)相比较，粉末活性炭口AC)使用方便，经济实
惠ll]，PAC能获得较高的吸附效率，要行之有效地去
除饮用水中所含有的有机物质，用粉末活性炭吸附法
是比较理想的，它同时还能去除水体含有的嗅和味，
显著提高饮用水水质。国家“八五”攻关项目已经对
粉末活性炭做了有关其最佳投放点、投加方法、以及
粉末活性炭与其它方法结合处理技术等非常深入的
研究问。同时粉末活性炭也被应用到其它的水处理行
业中阴，取得了很好的处理效果。但活性炭的微观结
构与其吸附性能有很大的相关性，本研究主要从各种
活性炭的比表面积和其微观孔隙结构的对比，研究各
种活性炭的吸附性能。
1试验过程
1.1实验仪器
NOVA1000型BET法比表面及孔径分布分析仪
(美国)，phoenix 8000型TOC测定仪(美国)，Leitz
MPV-3荧光显微光度计，入Thermo spectronic庚国)。
1.2实脸材料
上海木质活性炭，福建木质活性炭，茂名木质
活性炭，山西煤质活性炭，苯酚，黄腐酸
1.3实骏方法
对四种活性炭比较它们的比表面积和微孔结
构，以及它们对两种不同分子结构的有机物的吸附
性能。TOC用过硫酸盐氧化法测定，苯酚用三氯甲
烷萃取直接光度发测定。
2结果与讨论
2.1比衰面积的测定
比表面的大小反映活性炭孔隙结构丰富程度，
同时也是衡量其吸附性能大小的一个重要参数。试
验用美国Quantachrome公司生产的NOVA 1000型
BET法比表面及孔径分布分析仪，分析结果如表la
衰1四种活性炭比裹面积比较
活性如类I’分析号一}比表面};(m’}8)
上海木质
茂名木质
山西煤质
福建木质
f-023
f-024
f-025
f-026
(I80t 20
7701 20
664土zo
712土20
由表1比表面的分析结果可以看出，木质活性
炭的比表面积均比山西煤质活性炭的比表面积大，
说明木质活性炭的孔隙结构均比煤质活性炭发达，