活性炭在饮用水处理中的应用

活性炭在饮用水处理中的应用
目前我国大部分水源受到不同程度的水质污染，然而常规处理除对浊度有较好的去除外，对其他水质指标的去除率都较低。

在这种情况下，活性炭可作为饮用水处理的有效手段，愈发受到重视。

文章概述了活性炭的基本性质、制备、改性及在饮用水处理中的应用，并对其今后的发展方向进行了分析。

标签：活性炭；饮用水处理；应用
近年来，有机物污染的加重以及饮用水污染突发事件的增加，时刻提醒着人们关注饮用水的水质安全问题。

研究表明[1-4]，常规水处理工艺对TOC的去除率不到30%，氨氮的去除率依原水水质而定，大多在25%以下，而且面对一些突发性的水源水质污染，常规处理工艺很难应对，如两虫、藻类、内分泌干扰物等。

这就要求我们寻求新的技术来完善传统的常规处理工艺。

活性炭能够有效地去除污染物及消毒副产物的前体物，提高和保障饮用水质，是至今饮用水深度处理中最为有效的方法[5]。

1 活性炭基本性质
活性炭属于固体炭质的一种，其颜色呈黑色，结构多微孔（直径多为1×10-10～1×10-9μm）。

大量的微孔致使活性炭的比表面积高达1000m2/g，远远高于其它固体材料，这一特质使活性炭具有强大的吸附能力。

活性炭的吸附根据吸附力的不同分为物理吸附、化学吸附、离子吸附，而活性炭对有机物的去除以物理吸附为主，范德华力在物理吸附中起决定性作用[6]。

因制作活性炭的原料不同，所以活性炭具有不同的结构和化学性质，应用也各不相同。

比如，由木材制作的活性炭为粉末状，孔隙结构较大，能够吸附分子量较大的物质；由椰壳制作的活性炭为不定型颗粒状，大孔少，多用于吸附分子量较小的物质[7]。

2 活性炭制备
活性炭的制備工艺十分成熟，为了获得优质的活性炭，一般采用以下制备方法[8]：（1）原料预处理，包括脱灰和预氧化。

脱灰可以通过去除原料中的Ca、Mg等杂质来提高活性炭性能，但费用较高。

预氧化不仅能够使活化温度降低，活化时间缩短，还能够使原料的表面活性增加，使活化作用更为深入。

（2）使用催化活化剂。

这一工艺可以大大提高反应速率，使孔径分布集中。

（3）使用模板。

这一工艺可通过改变模板从而控制活性炭的孔隙分布，但制备工艺复杂，成本高。

（4）物理与化学联用，可提高活性炭的比表面积，得到超级活性炭。

3 活性炭的改性
随着活性炭在水处理中的应用越来越多，普通活性炭[9]由于本身的缺陷如
孔径分布宽、比表面小、吸附选择性差已远远不能达到市场的需求，活性炭的改性应运而生。

活性炭的改性即对活性炭的结构与性质进行改性。

常用的改性方法有酸改性、碱改性、负载改性、微生物改性、等离子体改性等[10]。

程琼[11]研究表明，以氨水作为改性剂，当其浓度的15%时，对玉米秸秆活性炭的改性作用最大，吸附量达到最佳，为77.5mg/g，增加了36.25mg/g；以碳酸钠为改性剂，其浓度为1.5mol/L时，效果最佳，吸附量为68.75mg/g。

吕游[12]等研究表明，用0.05mol/L的乙二胺四乙酸二钠溶液对煤基活性炭进行改性处理，当固液比为1：10，接触时间为40min时，改性效果最好，对模拟含铜离子废水的去除率高达90.8%，提高了29.9%。

4 活性炭在水处理中的应用
活性炭的使用源于20世纪20年代，原捷克斯洛伐克首次在饮用水处理中使用；60年代初，欧美地区开始广泛使用于饮用水和工业废水处理。

近年来，我国已对活性炭的应用逐渐重视。

4.1 活性炭吸附能力的影响因素
影响活性炭吸附的主要因素有：活性炭的粒径和比表面积、活性炭表面的化学官能团、溶液的pH值、水中吸附质的溶解度、浓度及其极性、分子量[13]、接触时间等。

辛晓东[14]等研究表明，活性炭的吸附能力与其粒径大小呈反比，与比表面积呈正比，粒径较小的煤质炭其对臭味的去除要优于粒径较大的椰壳炭。

肖琦[15]等研究表明，活性炭对疏水性有机物的去除要优于亲水性有机物，相对分子量相同的有机物，亲水性越强，活性炭吸附性能越差；活性炭主要去除分子量在500～3000的这部分有机物。

4.2 活性炭炭种对水质处理的影响
活性炭种类不同其孔隙直径大小、孔隙分布情况也就不同，这就决定了其吸附能力的不同。

研究表明[16]，活性炭炭种的选择，最主要考虑的是其吸附性能，活性炭的中孔越发达，其对有机物的吸附能力及速度就越高。

炭种的选择必须要做活性炭吸附效果，及活性炭结构分析，只有这样才能反应活性炭的实际吸附效果。

4.3 活性炭投加位置对水质处理的影响
4.3.1 在沉淀前
在混凝沉淀工艺前投加活性炭，可以提高出水水质，应对水源的突发性污染，如藻类、臭味、藻毒素等。

凌文翠[17]等研究表明，投加20mg/L PAC后，对低浓度的乐果（241μg/L）的去除率在70%左右，对中低浓度的敌敌畏（3.0～9.3μg/L）的去除率在90%以上。

4.3.2 在沉淀后
在混凝沉淀工艺后投加活性炭，可以有效地去除有机物。

研究显示[18]，在石英砂滤料上增加一层活性炭滤料会提高滤后出水水质，炭砂滤池对TOC、UV254的去除率比单层石英砂滤池高出24.84%与12.5%。

臭氧与活性炭联用（O3-BAC）技术由于臭氧的氧化特性及活性炭表面微生物对有机物的去除，可以使其自身进行再生，保持活性炭的吸附性能[19]，已经在我国的一些经济发达城市的水厂得到广泛应用。

陈丽珠[20]等对南方某一运行了6年的臭氧生物活性炭工艺进行研究，研究发现，即使活性炭的碘值与亚甲蓝值远远低于国家标准值，O3-BAC工艺依然对有机物有较好的去除率，其对CODMn、TOC、UV254、三氯甲烷和三氯乙醛的去除率分别为43.2%、24.0%、58.8%、54.5%、70.7%。

4.3.3 在超滤膜前
目前，活性炭与超滤膜联用（PAC/UF）被广泛应用于中小水厂。

PAC/UF 工艺不仅可以提高对有机物的去除和透水通量，还能够防止膜污染[21]。

Takizawa S等人[22]的研究表明，在超滤工艺前投加50mg/L的PAC，对色度和腐殖酸的去除率分别增加了为36%和49%、97%；当PAC的投加量小于20mg/L时，对膜通量的影响可以不计。

4.4 活性炭在水处理应用遇到的问题
活性炭使用成本较高，再生困难，并且对水厂的自动化程度要求较高，导致活性炭很难大规模推广。

5 结束语
面对严重的水资源问题以及人们对高品质饮用水水质的追求，对饮用水深度处理技术的完善与改进显得尤为重要。

活性炭技术是一项国内外应用比较成熟的深度处理技术。

虽然活性炭有效提高了对有机物的去除，但是其制备工艺相对复杂、使用成本相对较高，难以大规模推广应用。

所以，活性炭未来的研究方向应从降低成本、提高效率、简化操作等多方面综合考虑，使其成为饮用水水质安全的有力保障。

参考文献
[1]王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理[M].中国建筑工业出版社，1999：59-60.
[2]徐鸿凯，高炜，高乃云，等.浅议某自来水厂的黄浦江原水和出厂水质之十年变迁[J].城镇供水，2011（01）：45-49.
[3]陳德业，陈艺韵，陆少鸣.常规处理工艺生物强化处理西江原水[J].水处理
技术，2011，37（03）：129-131.
[4]赖日明，黄剑明，叶挺进，等.饮用水处理技术现状及研究进展[J].给水排水，2012，38（S1）：213-218.
[5]徐丽军.活性炭对水中有机物去除的研究进展[J].广州化工，2015，43（4）：42-44.
[6]沈渊伟，陆善终.活性炭在水处理中的应用[J].工业水处理，2007，27（4）：13-16.
[7]Perrich Jerry R. Activated Carbon Adsorption For Wastewater Treatment[M].Boca Raton，Florida：CRC Press Inc，1981.
[8]孙康，蒋剑春.国内外活性炭的研究进展及发展趋势[J].林产化学与工业，2009，29（6）：98-103.
[9]梁霞，王学江.活性炭改性方法及其在水处理中的应用[J].水处理技术，2011，37（8）：1-6.
[10]杨四娥，林建清.活性炭的改性技术及其应用研究进展[J].安徽农业科学，2014，42（9）：2712-2715.
[11]程琼.玉米秸秆活性炭的改性及处理对苯二酚废水的研究[D].中北大学，2016.
[12]吕游，刘树根，谢容生，等.煤基活性炭的改性及其对含铜废水的吸附性能[J].环境工程学报，2016，10（1）：157-162.
[13]郭瑞霞，李宝华.活性炭在水处理应用中的研究进展[J].炭素技术，2006，25（1）：20-24.
[14]辛晓东，王明泉，孙韶华，等.不同种类活性炭对水中典型藻致嗅味物质的吸附能力研究[J].城镇供水，2014（06）：65-69.
[15]肖琦，查巧珍，陆颂文，等.基于太湖水源的水质深度处理工艺选择及效果评估[J].中国卫生工程学，2015，14（04）：303-307.
[16]张长明.活性炭在饮用水深度处理中的应用研究[D].太原理工大学，2011.
[17]凌文翠，张涛，强志民，等.饮用水源中有机磷农药的应急预处理技术研究[J].环境工程学报，2011，5（12）：2641-2646.
[18]丁卫，盛德洋，梁曦，等.强化常规工艺对三卤甲烷前体物的去除效果研
究[J].供水技术，2014，8（06）：22-24.
[19]严军，杜旭.水处理技术在微污染方面的研究[J].资源节约与保护，2014（7）：146，155.
[20]陈丽珠，巢猛，刘清华，等.臭氧-生物活性炭控制有机物和消毒副产物研究[J].给水排水，2015，41（11）：37-40.
[21]徐燕.直接饮用水系统中超滤技术及组合处理工艺[J].科技资讯，2015，15：80.
[22]Yu M，Takizawa S，et al. Evaluation of PAC behavior and fouling formation in an integrated PAC-UF membrance for surface water treatment[J].Desalination，2006，192（1-3）：54-62.。