摘要 ： 不 同廠 家、 不 同炭齡 活性炭 由于結(jié)構(gòu)特征 、 性能不同， 去除污染物的能力也存在差異。 本文考察
了北方D J水廠不同廠家、 不同炭齡活性炭結(jié)構(gòu)性能與去除有機(jī)物效果的關(guān)系， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 活性炭對D O C 去除
率與孔容結(jié)構(gòu) (包括孔徑 ) 存在一定的相關(guān)性 ， 基本上隨著孔容積的降低去除率也降低 ； 隨著炭齡 的延長，
活性炭的BE T ~h表面積基本呈下降趨勢； 活性炭平均孔徑與炭齡的關(guān)系不大； 在孔容／ 徑結(jié)構(gòu)相 同的情況下，
比表
面積較大的活性炭對溶解性有機(jī)物的吸附效果較好 ， 因此建議進(jìn)行活性炭的選擇 時， 綜合考慮炭結(jié)構(gòu)特
征 。
關(guān)鍵詞 ： 活性炭孔 隙結(jié)構(gòu) B ET I：~表面積 D O C 光電子能譜分析
研究認(rèn) 為 [ 1-31， 不同廠家 、 不 同炭齡 活性 炭 由于結(jié)
構(gòu)特征、 性能不同， 去除污染物的能力也存在差異， 因
此可以通過活性炭的結(jié)構(gòu)、 性能指標(biāo)與水質(zhì)的化學(xué)安全
性指標(biāo)很好地指導(dǎo)活I(lǐng) 陛炭的選擇。
北方某市 DJ 水廠從 1985 年開始使用活性炭 ， 現(xiàn)在
該地 區(qū)所有地表水廠均采用 了活性炭深度處理工藝 。 因
此 ， 了解活性炭結(jié)構(gòu)性 能與去除有機(jī) 物效果 的關(guān)系 ， 對
于指導(dǎo)水廠選炭、 保障出水水質(zhì)、 降低生產(chǎn)運行成本有
著非同尋常的意義。
1． 試驗 方法
該試 驗中選擇北方某市 DJ水廠正在 運行的 9 個活
性炭池 ， 涵蓋 了不 同生產(chǎn)廠家 、 不同使用年 限的活性炭
(均為煤質(zhì)炭 )， 各炭池信息見下表， 取樣 日期為 2009 年
9 月 15 日至 2009 年 9 月 20 日。
表1 活性炭炭池信息表
炭池編號 活性炭生產(chǎn)廠家 運行年限
l DJ水廠A 一 1 華輝炭 2O09．04
DJ 水廠 B_5 山西炭 2004_10
DJ 水廠 C一 1 再生炭 2oo8．03
DJ 水廠 C 一 5 寧夏炭 2008．o5
DJ 水廠 2A 山西炭 200r7．11
DJ 水廠2B一 9 神華炭 20O9．O3
l DJ水廠 2A 一 6 寧夏炭 20o5．10
i D J水廠 3A 一 12 寧夏炭 2o06．11
l DJ水廠3B一 6 山西炭 2008．0 4
測試指標(biāo)包括 ： DOC 、 三 鹵甲烷生成勢 、 鹵乙酸生
成勢、 活性炭顆粒表面特性、 孑 L隙分布。 測試方法如下
表所示 。
表2 試驗方法及測試 指標(biāo)
測試指標(biāo) 測試方法
耗氧量 酸性高錳酸鹽滴定法
D OC 水樣通過 0．45ur n 膜過濾后利用有機(jī)碳測定儀檢測
在 pH 值為 7．0 ：tO．2 的條件下 ，于 (25 ±2) ℃的培
三鹵甲烷生成勢 養(yǎng)箱中反應(yīng) 5 d后 ，利用毛細(xì)管柱氣相色譜法測定
總 TH M 的生成量
在 pH 值為 7．0 ±0．2 的條件下 ，于(25 ±2) ℃的培
鹵乙酸生成勢 養(yǎng)箱 中反 應(yīng) 5 d后 ，利用液 相色譜法測定總 H AA s
的生成量
活 性 炭 孔 容 積 、 根 據(jù)低 溫 氮 吸附 動態(tài) 色譜 法 原理 ， 利用 SSA 一
30
00 系列比表面分析儀測定 ( GB ／ T 7702．20- -2008 煤
B ET 比表面積 質(zhì)顆粒涪 陛炭試驗方法孔容積 比表面積的測定
)
活性 炭 的 光 電子 本試 驗 采用 的儀 器 型號 為 ： PH IQLl ar屺m SX MTM
能譜
分析 (Scanningx～ r． dyM icroprobeTM )
2 ．結(jié)果 與討 論
2．1活性炭結(jié)柯陛能與炭齡的關(guān)系分析
從 圖 1 可以看 出， 隨著炭齡 的延長 ， 活性炭 的 BET
比表面積基本呈下降趨勢。
城鎮(zhèn)供水 NO ．1 2012 71
y
_二
．．_ 一一 圈 —F —二 — _ l i l 震 一 曼 疊 l l圜 l 露 圈 曩 l 圜
新 擻 1{} 搏葉-擻 2 年凝 3年 冉 嵌 4 j41凝 5年嵌
圖1 不 同炭齡活性炭 的B ET [ ；g表面積
0 l 2 3 4 0 6
活性 炭使 用年 限 (年 )
圖2 活性炭 的B ET I；k表面積隨炭齡 的變化情況
做 BET 比表面積隨活性炭使用年限 (計算再生炭再
生前的使用年限 ) 的變化 曲線 ， 結(jié)果如 圖 2 所示 。 從 圖
2 中可以看出，活性炭使用時間越長，BET 比表面積越小，
基本呈反 比例關(guān)系 ， 關(guān)系 曲線為 “ BET 比表面積 =1269—
98．38 X 年限”。
活性炭 1．7～ 300nm 孔容也基本隨使用年限呈下降
趨 勢 (除 2 年 活性炭外 )， 見 圖 3 所示 。 分析原 因為 ：
隨著吸附的進(jìn)行， 活性炭孔隙吸附的雜質(zhì)增多， 通道
堵 塞 ， 孔 隙率減小 ， 活性 炭 的比表 面積 和孔容也 逐漸
減小 ，且 比表 面積與孔容存在一定 的相關(guān) 圖4所示 )。
O ． 7
4
活性
炭使用年 限 (年 )
圖3 活性炭的1。7～ 300nm 孔容 隨炭齡的變化情況
72 城 鎮(zhèn)供水 NO ．1 2012
· 研究 與探討 ·
60 0 7( M) {j(X} 9IX ) 10(K) 1lIj() I I l X)
比表 面積 (m 2／ g )
圖4 比表面積與 1 3OOn m ~L容的關(guān)系
圖5 不同炭齡活性炭的平均孔徑變化情況
從 圖 5 可以看出， 沿 陛炭平均孔徑與炭齡的關(guān) 系不
大 。 因此有必要分析 6 種活性炭的孔容分布情況 (如圖
6 所示 )。 從圖中可 以看出 ， 除 2 年炭 (山西炭 ) 外 ， 孔
容積基本 隨使用年限的增加逐年降低 ， 且 6 種炭齡活性
炭 以 2-4nm 大小 的孔容為 主 ， 且基本在 2．2— 2．5nm 處 出
現(xiàn)最大孔容積 。 同時 ， 活性炭的孔徑分布情況還與活性
炭 的生產(chǎn)工藝有關(guān) (與活性 炭廠家有關(guān) )， 這里孔容 積
比較
發(fā)達(dá)的是 2 年的山西炭 。
『 。 1 ¨ _斌 ／、
L l 『 【 鹺 奎 叁 整 ，疊 ～ 一 生 2 5 1 ； 1 F ～ ； 搬 嵌 釜 釜 望 ；，：’ ／ 一 孽 一 ／ 、 ＼ !一 ，
圖6 不同炭 齡活性炭 的孔徑分布情況
2I 2 不同炭齡活性炭與去除有機(jī)物的效果關(guān)暌陛分析
2．2．1不 同廠家活性炭對 D OC 去除效果 的對 比
對于 同一 年的炭來說 ， 不 同炭種對 DOC 的去 除作
用也不相同。
％ 一 =
^ _ 2 一 2 2 2 土 2
盲= 當(dāng) 爭
0∞ O ㈨ 0舳 O∞ 0如 0 0
一 ∞ ；囂甚 一 _ L ∞ 一 至 }＼暑一 毛 l 1- L出∞
心 ∞ ∞ 毗 0
0 0 0 O O
矗≥ 罨恐， ÷
· 研究與探討 ·
比如 2009 年新炭， 結(jié)果如圖7。 從圖中可知， 神華
炭對 DOC 的平均去 除效 果較為顯著 ， 而華 輝炭對 DOC
的平均去除效果較差。
3
2 ． 5
● 2
1 ． 5
口 1
0 ． 5
0
4 O O 黎 350
【)U
宴
2 5O
2 0 0
1 5 O
華輝炭 神華 炭
圖7 不同廠家炭 對D O C 的去 除效果對 比
O 0 ． 2 0 ． -1 0 ．6 0 ． 8 l
棚刺壓 (P／ P0 )
圖8 不 同廠家炭 的N 吸附等溫線
圖8 給出了用 N 測量的2 種活性炭的吸附等溫線，
相對壓力范 圍從 0 —0．99。 從 圖中可 以看 出， 2 種 炭 的
吸附等溫線在相對壓力較低的部分都呈上升趨勢， 且上
升幅度相差不大 ， 隨著相對壓力的逐漸增加 ， 2 種炭 的
吸附等溫線趨 于平緩 ， 說 明兩者 的吸附能力 已經(jīng)飽 和。
該 曲線表 明兩種活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)相差不大 (如下圖 9
所示 )， 大部分是 5r im 以下的微孔結(jié)構(gòu)。 但是從 比表面
積來說， 華輝炭 1085m 2~ ， 神華炭 1157．1651m 2／ g， 后者
比前者較大。 因此 ， 在孔 容 ／ 徑結(jié)構(gòu)相 同的情況下 ， 比
表面積較大 的活性炭對溶解性有機(jī)物 (小于 450nm 的有
機(jī)物 ) 的吸附效果較好 ， 也 即后者對 DOC 的去除效果較
好 。
對于 1年炭 ， 結(jié)果如圖 1O。 從 圖中可 以看 出 ， 對
于 DOC 的去除效果來看， 再生炭明顯高于寧夏炭和山西
炭， 山西炭又高于寧夏炭。
從活性炭的孔容結(jié)構(gòu)上分析原因。 圖 11 是三種炭
的 N’ 吸附等溫線。 如圖所示， 3 種炭的吸附等溫線在相
對壓力較低的部分都呈上升趨勢， 升幅最高的是寧夏活
3 ． 5
3
2 ． 5
2
1 ． 5
l
0 ． 5
0
3
2 ． 5
2
、
1． 5
0星
1
0 ． 5
O
C lT Y A
—
N D T O W N S U P P L Y
| 謄 J — 一 蓄
珊
口<70 nm ~L
圇1 3 ootm - fL
囝 均扎 (nm )
華輝炭 }IIj華炭
圖9 不 同廠家炭 的孔隙結(jié)構(gòu)情況
冉生炭 寧夏炭 ll1 炭
圖10 1年炭齡活性炭對 D O G 的去除效果對 比
性 炭 ， 表明寧夏活性炭 的微 孔很發(fā)達(dá) ， 特別是 山西 炭。
隨著相對壓力的逐漸增加， 三種炭的吸附等溫線趨于平
緩 ， 說 明兩者的吸附能力 已經(jīng)飽和。 而再生炭和山西炭
上升比較平緩， 但始終呈上升趨勢， 特別是山西炭， 這
說明山西炭 的中孔結(jié) 構(gòu)較 寧夏炭和再生炭均較發(fā)達(dá)。 比
較三種炭的微孔結(jié)構(gòu) (<2m )：寧夏炭 > 再生炭 > 山西炭 ；
中孔結(jié)構(gòu) f2～ l00nm 】： 山西炭 > 寧夏炭 > 再生炭。
4 0 0
霧 350
譽 300
星
一 2 5 0
2 0 0
15 0
O 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8
中 丌 對 力 (P ／ P0)
圖11 1年炭齡活性炭的N 2吸附等溫線
城鎮(zhèn)供水 NO ．1 2012 73
y
O · 4
0 · 35
0 ． 3
≥ 0．25
0 ． 2
0 ． 15
0 ． 1
0 ． 0 5
0 毫 蔓 l_ ∞
十炭 耍炭 II川 炭
圖12 1年炭齡活性炭的孔容結(jié)構(gòu)情 況
}If生炭 夏炭 ¨ I 炭
圖13 1年炭 齡活性炭 的比表面積 I i
ll … — — jil
I 皿
— — j 一 目
1 1 豳 愛霞
『 I}生 炭 夏炭 ll1陽
圖14 1年炭 齡活性炭 的平均孔徑
三種活性炭 的孔容情況 、 比表面積 、 平均孔徑見圖
l2～ 14 所示。 從圖中可以看出， 雖然寧夏炭比表面積較
大， 但主要 以微：fLtE表面積為主 ， 其平均孔徑反而較低 ；
