丁桓如，聞人勤?
（上海電力學院水處理研究室，上海200090） 摘要：研究發現，活性炭的比表面積、碘值、亞甲基藍吸 咐值等吸咐性能指標與活性炭對天然水中有機物的吸咐能力之間相關性能不好，在選擇去除天然水中有機物的活性炭時不能用這些指標。提出了采用活性炭對水中四種典型有機物(腐 殖酸、富里酸、木質素、丹寧)的吸附容量和吸附速度作為正確選擇水處理用活性炭的指標，且在五種水質(長江、黃浦江、太湖、淮河、黃巢湖)中得以驗證。?
關鍵詞：水處理；活性炭；選擇指標?
中圖分類號：TU99124
文獻標識碼：B
文章編號：1000-4602(2000)07-0019-04 活性炭吸附性能一般都采用比表面積、碘值、亞甲基藍吸附值、CCl4吸附值等指標(在此簡稱一般吸附性能指標)來表示。通常認為，這些指標高的活性炭就是吸附性能好的活性炭，所以習慣上都是根據這些一般吸附性能指標來選擇水處理用活性炭。? 1 問題的提出? ①1994年在為某廠水處理系統(淮河水源)選擇活性炭時，首先測定了活性炭的這些一般吸附性能指標。參選的三種活性炭中，3#炭比表面積最大，碘值、亞甲基藍吸附值最高，是吸附性能最好的活性炭。但在實際運行試驗時(每種活性炭取350g裝入50×5的吸附柱中，以15m/h流速通水，并聯平行運行，監測出水的CODMn及 E260值至去除率＜20%作為失效，下同)，發現情況異常(見表1)。 表1 三種待選炭在液河水質下運行數據| 活性炭編號 | 1# | 2# | 3# | | 失效前運行天數（d） | 16 | 16 | 10 | | 周期制水量（L） | 5700 | 6000 | 4000 | 試驗表明，2#活性炭運行周期最長，周期制水量最多。而一般吸附性能指標最高的3#椰子殼活性炭，其周期制水量僅為2#活性炭的2/3。無疑，實際使用應選用2#活性炭，而不是3#炭。
②選擇了九種國產活性炭，在黃浦江水、太湖水、浙江黃巢湖水的水質條件下進行試驗。九種炭同樣測定其一般吸附性能，并選出六種進行現場運 行試驗。一般吸附性能指標測試結果列于表2，三種水質條件下的現場運行結果列于表3。 表2 九種活性炭的一般性能指標| 種類 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | 9# | | 比表面積（m2/g） | Langmuir | 1019 | 1041.66 | 1685.77 | 1367.35 | 830.28 | 1528.72 | 1245.65 | 989.62 | 1195.96 | | BET | 728.17 | 744.48 | 1198.60 | 975.20 | 588.48 | 1073.03 | 895.30 | 700.13 | 857.15 | | 碘值（mg/g） | 893 | 922 | 1011 | 1084 | 1013 | 1122 | 983 | 1094 | 1106 | | CCl4吸附值（%） | 33.0 | 39.20 | 73.81 | 52.80 | 36.29 | 64.48 | 48.65 | 45.95 | 46.20 | | 亞甲基藍吸附值（mg/g） | 94.1 | 107.5 | 221.7 | 174.7 | 134.4 | 188.1 | 102 | 94.1 | 134.4 | | 孔容積 | 總孔 | 0.4371 | 0.4387 | 0.6266 | 0.5786 | 0.6036 | 0.5598 | 0.4675 | 0.3901 | 0.5202 | | 大孔 | 0.0000 | 0.0120 | 0.0392 | 0.0190 | 0.0000 | 0.0672 | 0.0132 | 0.0324 | 0.057 | | 過渡孔 | 0.2353 | 0.1761 | 0.2130 | 0.2439 | 0.4710 | 0.2696 | 0.0948 | 0.1729 | 0.2033 | | 微孔 | 0.2379 | 0.2506 | 0.3744 | 0.3157 | 0.1470 | 0.2230 | 0.3595 | 0.1848 | 0.3112 | | 孔表面積（m2/g） | 大孔 | 8.911 | 35.285 | 102.61 | 54.99 | 0.0000 | 170.99 | 35.396 | 83.954 | 21.644 | | 過渡孔 | 231.61 | 194.76 | 322.26 | 270.65 | 302.13 | 434.18 | 122.27 | 233.16 | 197.31 | | 微孔 | 487.64 | 514.43 | 773.72 | 469.56 | 302.52 | 467.87 | 737.63 | 383.02 | 638.19 | 表3 現場運行數據匯總| 活性炭編號 | 太湖水質 | 黃浦江水質 | 浙江黃巢湖水質 | | 運行天數（d） | 以CODMn失效時周期制水量（L） | 以E260失效時周期制水量（L） | 運行天數（d） | 以CODMn失效時周期制水量（L） | 以E260失效時周期制水量（L） | 運行天數（d） | 以CODMn失效時周期制水量（L） | 以E260失效時周期制水量（L） | | 1# | | | | | | | 8 | 4700 | 4100 | | 2# | 13 | 6100 | 4700 | 12 | 7200 | 8000 | | | | | 3# | 23 | 11400 | 11400 | 20 | 9600 | 12400 | 13 | 6100 | 4200 | | 5# | 24 | 12700 | 12200 | 25 | 10000 | 12400 | 14 | 6600 | 4000 | | 7# | 6 | 2600 | 1800 | 8 | 2000 | 4000 | 2 | 750 | 300 | | 9# | 20 | 9300 | 6000 | 22 | 8400 | 12400 | 7 | 3300 | 2700 | 比較表2、3的數據同樣可以看出，一般吸附性能指標最好的活性炭(3#)運行周期并不是最長的。而運行周期最長、制水量最多的5#炭其比表面積僅830m2/g，一般吸附性能指標也處于中等水平。 2 原因分析 上述試驗是在四種不同水質條件下進行的，活性炭也基本上包括了國內水處理用活性炭的主要品種，試驗結果卻是一致的，即活性炭一般吸附性能指標(比表面積、碘值、亞甲基藍 吸附值、四氯化碳吸附值)與其對天然水中有機物吸附性能之間相關性不好。由此認為：若 用這些指標來選擇水處理用活性炭，可能會導致錯誤的選擇，帶來巨大的浪費。?
造成這種現象的原因，主要是由于天然水中有機物的分子體積(分子量)遠遠大于一般吸附性 能測試中所用的碘、亞甲基藍、四氯化碳等的分子體積。活性炭微觀結構中有大孔(＞100 nm)、過渡孔(2～100nm)和微孔(＜2nm)，構成活性炭比表面積的主要是微孔。活性炭吸附是一種表面現象，吸附量除了與比表面積多少有關外，還要考慮吸附的動力因素，即吸附質 能 否順利到達活性炭的微孔表面。曾有人通過計算認為，當吸附質直徑大于孔道直徑1/3以上時，被吸附質運動就受阻，吸附量下降。天然水中有機物大多以腐殖質形式存在，主要包括四大組分：腐殖酸、富里酸、木質素、丹寧。這些物質的分子量大約為幾百至幾十萬，比 碘、亞甲基藍、四氯化碳的分子量大得多。?
從這一點進行分析，活性炭對天然水中有機物的吸附主要受過渡孔影響，而不是受微孔支 配。這從表2中九種活性炭的孔容、孔面積可看出，過渡孔最多的是5#活性炭，它也正是 現場運行試驗中對水中有機物吸附最好的活性炭。活性炭在實際天然水質中吸附量多少(即 運行周期長短)與過渡孔多少有關，而與微孔(比表面積)多少卻相關性不好。? 3 活性炭篩選新方法的驗證? 由于實際水質條件下的動態運行試驗周期長，需要連續運轉，工作量大，不適合大批量選炭 。據此，提出了用天然水中四種有機物(腐殖酸、富里酸、木質素、丹寧)作為測試基質(吸附質)，用活性炭對它們的吸附容量和吸附速度作為指標，借以反映活性炭對水中有機物的 吸附性能好壞，用于水處理用活性炭的篩選。試驗表明，這種方法測定結果與實際水質條件下的動態運行試驗結果一致，可以反映活性炭對天然水中有機物吸附性能的差異(見圖1～4 和表4)。試驗所用四種吸附質中的腐殖酸和富里酸從某水處理系統受污染的陰離子交換樹脂中提取，木質素從造紙廢水中提取，丹寧為試劑。?
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表4 三種活性炭的吸附速度| 吸附質 | 腐殖酸 | 富里酸 | 木質素 | 丹寧 | | 活性炭 | 1# | 2# | 3# | 1# | 2# | 3# | 1# | 2# | 3# | 1# | 2# | 3# | | 4min內平均吸附速度[mg/(g.min） | 6 | 15 | 2 | 5 | 6 | 4 | 7 | 8 | 5 | 20 | 25 | 6 | 可以看出，這三種活性炭對天然水中四種有機物的吸附性能最好的是2#，其次是1#，最差為3#，該順序與表1中三種活性炭在實際水質條件下運行試驗結果是一致的，二者相關性很好。?
類似的方法在長江、太湖、黃巢湖水質下的擴大試驗中也同樣得到驗證，試驗結果列于表 5、6。 表5 第一次擴大試驗時不同試驗方法測得的活性炭吸附性能名次順序對照| 活性炭編號 | 材料 | 一般吸附性能指標排列順序 | 對水中四種典型有機物吸附容量和吸附速度排列名次 | 長江水質下運行試驗排列名次 | | 比表面積 | 碘值 | 亞甲基藍吸附值 | 四氯化碳吸附值 | 腐殖酸 | 富里酸 | 木質素 | 丹寧 | | 1# | 煤 | 5 | | 5 | 3 | 9 | | | 10 | | | 2# | 椰殼 | 11 | 7 | 11 | 11 | 11 | | | 11 | | | 3# | 果殼 | 10 | 6 | 9 | 8 | 3 | | | 3 | 3 | | 4# | 椰殼 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2（2） | （2） | （2） | 2（2） | 2 | | 5# | 山桃殼 | 8 | 5 | 7 | 9 | | | | | | | 6# | 杏殼 | 7 | 4 | 3 | 6 | 1（1） | （1） | （1） | 1（1） | 1 | | 7# | 椰殼 | 3 | 3 | 6 | 5 | 10 | | | 9 | | | 8# | 果殼 | 9 | | 10 | 10 | | | | | | | 9# | 椰殼 | 1 | 2 | 1 | 2 | 7 | | | 6 | | | 10# | 椰殼（日本） | 6 | 8 | 8 | 7 | 8 | | | 8 | 4 | | 11# | 椰殼（美國） | 4 | | 4 | 4 | | | | | | | 注 （）內為吸附速度排列順序 | 表6 第二次擴大試驗時不同試驗方法測得的活性炭吸附性能名次順序對照| 活性炭編號 | 材料 | 一般吸附性能指標排列順序 | 對水中四種典型有機物吸附容量和吸附速度排列名次 | 實際水質運行試驗排列名次 | | 比表面積 | 碘值 | 亞甲基藍吸附值 | 四氯化碳吸附值 | 腐殖酸 | 富里酸 | 木質素 | 丹寧 | 黃浦江水 | 太湖水 | 黃巢湖水 | | 1# | 山桃殼 | 7 | 9 | 7 | 9 | 4 | | | 2 | | | 3 | | 2# | 杏殼 | 6 | 8 | 5 | 7 | 3(3) | | | | 4 | 4 | | | 3# | 椰殼 | 1 | 6 | 1 | 1 | 5 | 2 | 3(3) | 4 | 2 | 2 | 2 | | 4# | 果殼 | 3 | 4 | 3 | 3 | 4 | 3(2) | | 4 | | | | | 5# | 果殼 | 9 | 5 | 8 | 8 | 1(1) | 4(1) | 1(1) | 1(1) | 1 | 1 | 1 | | 6# | 煤 | 2 | 1 | 2 | 2 | 8 | 1 | | | | | | | 7# | 椰殼 | 4 | 7 | 4 | 4 | 9(9) | 9(9) | 9(9) | 9(9) | 5 | 5 | 5 | | 8# | 煤 | 8 | 3 | 6 | 6 | | | | | | | | | 9# | 果殼 | 5 | 2 | 5 | 5 | 2(2) | | 2(2) | 3(2) | 3 | 3 | 4 | | 注 （）內為吸附速度排列順序 | 從表中可以看，采用四種典型有機物做吸附質測得的不同活性炭吸附性能排列順序與實際水質條件下運行試驗結果是一致的，而碘值等一般吸附性能指標的排列順序與運行結果不同。 ?
至此已說明，在五種實際水質下(長江、黃浦江、淮河、太湖、黃巢湖)用測量活性炭對天然 水中四種典型有機物吸附容量和吸附速度來選擇水處理用活性炭的方法是正確的。? 4 結論與討論? ①活性炭一般吸附性能指標(比表面積、碘值、四氯化碳吸附值、亞甲基藍吸附值)與活 性炭對天然水中有機物的吸附性能相關性不好，若用這些指標來選擇水處理用活性炭，會得 出錯誤的結果。其原因主要是由于天然水中天然有機物分子量巨大，分子體積大，活性炭對 其吸附很大程度上受過渡孔通道多少的影響。而活性炭對碘值、四氯化碳、亞甲基藍吸附則多在微孔進行，所以，吸附天然水中有機物的活性炭應當關注其過渡孔的多少，而不應單純追求微孔(比表面積)的多少。?
②采用測量活性炭對水中四種典型有機物(腐殖酸、富里酸、木質素、丹寧)的吸 附容量和吸附速度方法，可以反映活性炭對天然水中有機物吸附性能的好壞，可用于篩選吸 附天然水中有機物的水處理用活性炭。? 參考文獻：?
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［3］丁桓如，呂世政從污染陽樹脂中提取有機物研究樣品［J］上海電力學院 學報，1990，(2)：92-99?
電話：(021)65430410?
收稿日期：2000-01-09 | 
