给水深度处理活性炭的孔隙结构特征探讨

书给水排水Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１２０１４９１给水深度处理活性炭的孔隙结构特征探讨董丽华１刘文君１蒋仁甫２王占生１（１清华大学环境学院，北京１０００８４；２江苏省泰兴一心活性炭科技有限公司，泰兴２２５４５２）摘要通过对原水水质及给水深度处理中活性炭所要去除的有机污染物质的分子尺寸进行分析，将着眼点立足于去除分子量为１０００Ｄａ以下的有机污染物，并计算出其所需要的活性炭的最佳孔径范围为：１７～３７．９１，即要求活性炭具有发达的微孔结构（孔径Ｄ≤４０），尤其是次微孔结构（１２＜Ｄ＜３２）；并运用国产ＪＴ－１型活性炭对该结论进行了验证。关键词给水深度处理活性炭次微孔结构孔隙分布特征图１水中污染物的分子量与分子尺寸随着《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ５７４９—２００６）的贯彻和实施，在水源水质污染日益加剧的今天，现有净水厂采用的传统常规工艺，很难有效去除形成臭、味、色度的有机化合物，这些有机化合物不仅造成臭、味和色度等表观指标不达标，还会干扰人体内分泌系统的正常工作，对人们生活安全与健康造成严重威胁。由于活性炭吸附能有效去除上述污染物，因此成为十分重要且切实可行的给水深度处理技术。《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》（ＣＪ／Ｔ３４５—２０１０）的制定和颁布实施，总结了我国“十一五”期间所进行的给水深度处理用活性炭的研究和实践，对推广和应用此项技术起到了积极的推动作用。然而，ＣＪ／Ｔ３４５—２０１０仅给出了净水用活性炭的最低选炭标准，并没有根据原水污染物质组成的不同，选择具有特定孔隙结构分布的活性炭。目前大多数净水厂在选择活性炭时，未能考虑被处理水的实际因素，只是选择市场上已有的活性炭，从而造成吸附效果不彻底以及资源浪费。本文将通过对原水中污染物及分子尺寸分布进行分析，找出给水深度处理用活性炭的有效孔隙结构，并通过实例验证其应用效果。１原水中有机污染物的分子量和分子尺寸分析要确定活性炭吸附有机物的最佳孔隙结构分布，首先必须确定给水深度处理中活性炭所要去除目标污染物（以ＣＯＤ或ＴＯＣ表示）的分子量和分子尺寸分布。陶氏公司曾将构成ＣＯＤ或ＢＯＤ的物质的分子尺寸进行了归纳［１］，如图１所示。由图１可知，表征水中有机污染物的分子量均＜１００００Ｄａ，对应分子尺寸均＜５０。上海奉贤某水厂对原水进行了ＴＯＣ分子量分布的测定，见表１。由表１可知，９８％的ＴＯＣ分子量＜１００００Ｄａ；７７％的ＴＯＣ分子量≤１０００Ｄａ，即原水呈现以低分子量有机物为主的特征，与图１的研究结果基本一致。另外，国内同行对此也做了大量的工作，分别对长江南京段原水［２］、太湖原水［３］、广东省珠海市的西江和竹仙洞水库原水［４］、黄浦江原水［５］中的溶解性有机物（ＤＯＣ）进行测试，结果表明原水中有机物均呈现以低分子量为主的分布特征。鉴于原水中有机物均呈现以低分子量有机物为主的特征，本研究将着眼点立足于分子量小于或等于１０００Ｄａ以下的污染物质。分子量处于这个范围的物质有：糖类、合成染料、杀虫剂、除莠剂、内毒素（致９２给水排水Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１２０１４表１上海奉贤某水厂原水中ＴＯＣ的分子量分布ＴＯＣ／ｍｇ／Ｌ分子量／Ｄａ占总ＴＯＣ的百分数／％ＴＯＣ累积百分数／％对应的ＣＯＤＭｎ／ｍｇ／Ｌ５．５１＞１００００００．７２１００６．２５．４７１０００００１．０９９９．２８５．４１１００００２．００９８．１９５．３０５０００９．４４９６．１９４．７８３０００９．８０８６．７５４．２４１０００５６．０８７６．９５１．１５５００２０．８７２０．８７热质—引起发烧的物质）。上述这些物质中除糖类对人类不构成危害外，其余几项都是对人类健康有害的物质，需要认真对待加以去除。另据Ｃｈａｎｇ等［６］的研究，消毒副产物（ＤＢＰ）中的ＣＨＣｌ３和ＣＨＣｌ２主要是由分子量５００～１０００Ｄａ的有机物产生，而毒性更大的ＣＨＣｌＢｒ２和ＣＨＢｒ３则是由分子量小于５００Ｄａ的有机物产生。因此，将活性炭孔隙分布所适应的污染物分子量定在１０００Ｄａ以下是有现实意义的。２给水深度处理活性炭的孔隙结构分布影响水处理用活性炭性能的因素很多，就活性炭本身而言，主要是孔隙结构和表面的化学基团，而在这两者之中，孔隙结构又是第一位的。按照前苏联科学院院士杜比宁（ＤＵＢＩＮＩＮ）划分法，活性炭的孔隙分类如下：微孔（Ｄ≤２０），中孔（Ｄ＝２０～５００），大孔（Ｄ＞５００）；微孔又可以划分为真微孔（Ｄ＜６）和次微孔（６＜Ｄ＜１６）。研究表明，并非所有的活性炭孔隙都能发挥吸附污染物的作用。从活性炭的孔隙功能图可以看出（见图２），不同的孔隙结构其功能（或作用）是不同的，根据分子本身的大小不同，每种物质都有对应的最小孔隙尺寸，污染物能进入的孔隙称为有效孔隙（或将污染物能够接近的活性炭表面称为有效表面）。从图２可以看出，对有机污染物而言