活性炭過濾器結(jié)構(gòu)對水質(zhì)化學安全性

　　評論：　更新日期：2018年11月03日

2.2 活性炭結(jié)構(gòu)特征
2.2.1 活性炭孔徑特征
　　實驗采用比表面積、孔容積和孔徑分布來表征活性炭的孔徑特征。比表面積和孔容積是反映活性炭吸附能力的常規(guī)指標，由于在活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)中，微孔占了絕大的比例，所以比表面積和孔容積反映的通常是微孔的發(fā)達情況。但在水處理中，期望被去除的污染物質(zhì)的分子通常比較大，它被微孔吸附的可能性就大大低于小分子吸附質(zhì)，因此僅用微孔容積來衡量活性炭的吸附能力顯然是不全面的。所以，實驗通過孔徑分布來描述不同活性炭中孔和大孔的容積，以考察它們對不同分子量大小的有機物的去除情況。
　　活性炭的孔徑特征參數(shù)見表 4和表 5。

表4 不同活性炭的比表面積和孔容積

活性炭編號	比表面積(m²/g)	孔容積(mL/g)
BAC1	1 114	0.5790
BAC2	1 091	0.6480
BAC3	1 328	0.8363
BAC4	1 100	0.5636
BAC5	1 027	0.5489
BAC6	917.5	0.4446

　　從分析結(jié)果來看：總體說來BAC3的比表面積和孔容積值與其他5種炭相比顯出了絕對的優(yōu)勢，而BAC6的兩項指標均比其他五種活性炭的低。BAC1、BAC2、BAC4和BAC5相差則不大。
　　由于活性炭的吸附能力與其內(nèi)部的孔徑分布特征是息息相關(guān)的，所以需要對活性炭在不同孔徑范圍下的孔容積作詳細的分析，見表5*。

表5 活性炭不同孔徑孔容積的分布（nm）

活性炭編號	<2 nm	2~5 nm	5~10 nm	10~20nm	20~30nm	30~50nm	50~100nm
BAC1	0.197	0.100	0.021	0.012	0.006	0.002	0.004
BAC3	0.386	0.297	0.023	0.014	0.006	0.005	0.006
BAC4	0.166	0.094	0.021	0.012	0.004	0.005	0.006
BAC5	0.191	0.104	0.022	0.010	0.004	0.005	0.005
BAC6	0.139	0.058	0.025	0.007	0.002	0.001	0.002

注：由于某種原因，BAC2的孔徑分布情況沒有進行分析

　從結(jié)果中可以看出：無論在哪個孔徑范圍內(nèi)，BAC3的孔容積值都比其它活性炭高，尤其是它的中孔容積（2~50 nm）更是表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，這與2.1中數(shù)據(jù)所顯示的BAC3對NOM、耗氧量及TOC的高去除率是相吻合的。而BAC6在任何孔徑范圍下的孔容積都是6種活性炭中最低的，這與2.1中“BAC6對有機物的去除能力最差”的結(jié)論也是對應的。
2.2.2 活性炭表面性質(zhì)
　　研究表明，活性炭的表面性質(zhì)對吸附起到了重要作用，表面帶電量和酸性被認為是控制吸附的重要因素。實驗選用Zeta電位和pH值兩項指標來考察活性炭的表面性質(zhì)。Zeta電位值可以反映炭粒表面的電荷密度，從而用它來間接表征炭粒由表面靜電引力而引起的吸附有機物的能力^[[5]]。pH主要是反映活性炭表面的酸堿性官能團的相對數(shù)量，這些官能團的存在使得活性炭表現(xiàn)出兩性性質(zhì)，從而影響活性炭的吸附性能。在pH值的測定過程中發(fā)現(xiàn)，活性炭煮沸液過濾與否所測得的pH值是有差別的，過濾后濾液所得的數(shù)值比不過濾的平均降低1～2%。實驗結(jié)果如表 6所示：

表6 不同活性炭的表面性質(zhì)

活性炭編號	Zeta電位值 (最大正電/最大負電，mV)	pH值（過濾/未過濾)
BAC1	4.7/-3.48	8.89/9.07
BAC2	14.57/-5.16	7.74/7.85
BAC3	11.51/-1.92	9.1/9.18
BAC4	14.33/-14.13	8.41/8.51
BAC5	5.73/-5.12	8.35/8.64
BAC6	4.3/-3.48	8.58/8.73

　分析結(jié)果顯示：ζ電位有正值也有負值，說明活性炭表面有帶負電荷的也有帶正電荷的，并且同一種炭所帶的電位值基本相近。柱狀炭的Zeta電位值明顯比破碎炭的低，表明破碎炭表面所帶的電荷較柱狀炭要多，這與破碎炭的出水效果要普遍好于柱狀炭的結(jié)論相符合。同時，在BAC4的孔容積不是很大的情況下，它對NOM、高錳酸鹽指數(shù)及TOC等幾項指標的去除率卻表現(xiàn)得比較突出，這與其高Zeta電位值有一定的關(guān)系，表面靜電作用增大了它的吸附量。所有活性炭的pH值均大于7，偏堿性，這時活性炭表面帶主要帶有正電荷，而水中的NOM在中性條件下帶有負電^[[6]]，因此將有助于活性炭對NOM的去除，這也與2.1中的論斷相吻合。
2.3 相關(guān)性分析
表7 相關(guān)性分析結(jié)果

項? 目	UV₂₅₄（cm^-1）	高錳酸鹽指數(shù) （mg/L）	TOC （mg/L）	THMFP g/L）m（
比表面積（m²/g）	0.5148	0.5574	0.5270	0.3950
總孔容積（cm³/g）	0.5853	0.6210	0.4404	0.3425
Zeta電位（絕對值 mV）	0.6573	0.6080	0.3171	0.2370
pH值（過濾后）	0.0484	0.0057	0.0010	0.0107
pH值（未過濾）	0.0731	0.0178	0.0037	0.0088
孔容積（2 nm）	0.4504	0.4979	0.2575	0.1936
孔容積（2~5 nm）	0.4952	0.5612	0.2453	0.1851
孔容積（5~10 nm）	0.7848	0.6170	0.8746	0.9450
孔容積（10~20 nm）	0.6727	0.5596	0.8548	0.6672
孔容積（20~30 nm）	0.3367	0.2171	0.7813	0.5954
孔容積（30~50 nm）	0.9115	0.8806	0.4300	0.6068
孔容積（50~100 nm）	0.9611	0.8684	0.7812	0.7623

　為了尋求在活性炭結(jié)構(gòu)和水質(zhì)安全性的內(nèi)在聯(lián)系，將上述水質(zhì)化學安全性指標與活性炭結(jié)構(gòu)指標的檢驗結(jié)果作相關(guān)性分析，得出結(jié)果見下表（表中數(shù)值為R²值）：
　　從以上結(jié)果可以看出：
　　高錳酸鹽指數(shù)去除率的影響因素與UV₂₅₄的基本一致，也是Zeta電位值越高，高錳酸鹽指數(shù)的去除率也就越高。對于孔容積分布，同樣是30~100 nm的較大中孔和大孔對高錳酸鹽指數(shù)去除起到主導作用。如果將高錳酸鹽指數(shù)去除率和UV₂₅₄去除率做相關(guān)性分析會發(fā)現(xiàn)，二者的相關(guān)系數(shù)可達0.97。這表明了該實驗用水中的有機物主要是在紫外區(qū)254 nm處有強吸收峰，并且能被高錳酸鉀氧化的，那也就不難說明為什么高錳酸鹽指數(shù)和紫外吸光度與活性炭結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性較為一致。
活性炭對NOM的吸附去除率與它表面的Zeta電位值有很大的關(guān)系，根據(jù)上面的分析，在中性水環(huán)境下，NOM為帶負電荷的有機物，靜電引力是活性炭吸附NOM的一個重要因素，因此活性炭表面的Zeta電位值越高，它對NOM的去除效果越好。值得注意的是，在孔容積分布與UV₂₅₄去除率的相關(guān)性分析中，30~100 nm孔徑的孔容積對UV₂₅₄去除率的影響最大，其相關(guān)系數(shù)可達0.98，該現(xiàn)象說明較大的中孔和大孔對NOM的去除起到主導作用。這是因為：天然水中的有機物大多以腐殖質(zhì)的形式存在，分子量大約為幾百至幾十萬^[[7]]，這樣大分子量的有機物只能夠順利到達較大中孔和大孔的表面被吸附而不容易被微孔和較小中孔吸附。