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活性炭屬于一種非極性吸附劑，對(duì)非極性、弱極性的有機(jī)物有很好的吸附能力。在水處理中，活性炭作為一種深度處理技術(shù)，可以用來吸附去除水中的有機(jī)物、色、嗅、味和部分重金屬離子。

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活性炭的制造與性能

活性炭的形態(tài)主要分為粒狀炭（GAC）和粉狀炭（PAC）兩大類。粒狀炭可在自來水廠、小區(qū)處理站或家用凈水器中用于水質(zhì)的深度處理。粉狀炭主要在水源水質(zhì)季節(jié)性惡化的自來水廠中用于水質(zhì)預(yù)處理或應(yīng)急處理。近年來又開發(fā)了活性炭纖維（ACF）產(chǎn)品，活性炭纖維具有更為豐富的微孔，吸附容量與吸附速度都優(yōu)于粒狀炭，但價(jià)格很高，目前只在極少數(shù)家用凈水器中采用。

活性炭是用含有碳的原料制成的，其材料包括：煤、果殼、木屑等。經(jīng)過高溫炭化和活化后，形成了含有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭產(chǎn)品。果殼炭的吸附性能要優(yōu)于煤質(zhì)炭，但價(jià)格也較高。自來水廠和小區(qū)處理站多采用煤質(zhì)炭，家用凈水器多采用性能更高的果殼炭�；钚蕴康闹圃旃に囈妶D1。

活性炭制造工藝

活性炭中的孔隙可以分成三類：

（1）微孔,孔徑<40?，其表面積占活性炭總的表面積的95%以上，是活性炭的主要吸附區(qū)；

（2）中孔,又稱過渡孔,孔徑40-1000?，其表面積占總表面積的5%以下，中孔為吸附質(zhì)進(jìn)入微孔提供了通道，并可以吸附一些大分子有機(jī)物，但因其表面積較小，對(duì)大分子有機(jī)物的吸附能力有限；

（3）大孔,孔徑>1000?，占總表面積的不到1%，主要為吸附質(zhì)提供通道。

活性炭的孔隙率可達(dá)0.6～0.9cm?/g，比表面積在700-1200㎡/g�；钚蕴康奈綑C(jī)理主要是物理吸附，通過很大的比表面積對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行吸附�；钚蕴吭诟邷刂苽溥^程中，炭的表面形成了多種官能團(tuán)，這些官能團(tuán)對(duì)水中的部分離子有一定的化學(xué)吸附作用，因此活性炭也可以去除多種重金屬離子，其作用機(jī)理是通過絡(luò)合螯合作用，它的選擇性較高，屬單層吸附，并且脫附較為困難。

表1為太原新華化工廠生產(chǎn)的ZJ15活性炭的性能指標(biāo)。該炭為煤質(zhì)炭，在國(guó)內(nèi)自來水廠中使用極為廣泛，參考價(jià)格每噸約6000元。

表1 ZJ15活性炭性能指標(biāo)

吸附容量與吸附等溫線

活性炭吸附可以分稱為兩大類：液相吸附和氣相吸附。液相吸附屬于固液吸附，如水處理中的活性炭吸附，是本書主要論述對(duì)象；氣相吸附屬于固氣吸附，如用活性炭進(jìn)行工業(yè)有機(jī)廢氣處理、用于防毒面具等。

1．吸附影響因素

（1） 吸附質(zhì)的化學(xué)性狀

吸附質(zhì)的極性越強(qiáng)，則被活性炭吸附的性能越差。

（2） 吸附質(zhì)的分子大小

活性炭的主要吸附表面積集中在孔徑<40?的微孔區(qū)。飲用水處理中實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)活性炭主要去除分子量<1000的物質(zhì)，其最大去除區(qū)間的分子量為500-1000(飲用水水源中分子量<500部分主要為極性物質(zhì)，不易被活性炭吸附）。

2．吸附容量確定

活性炭吸附對(duì)特定吸附質(zhì)的吸附容量一般用靜態(tài)燒杯試驗(yàn)確定：取一定量的實(shí)際水樣于燒杯中，加入不同炭量，攪拌吸附，待吸附平衡后，測(cè)定平衡濃度，計(jì)算吸附容量。為加速吸附過程，粒狀炭先研磨成粉狀，過325目篩。吸附平衡時(shí)間大約為1h.。

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活性炭吸附的運(yùn)行方式與設(shè)備

運(yùn)行方式

活性炭分粉狀炭和粒狀炭?jī)纱箢�，其運(yùn)行方式與設(shè)備各不相同。生活飲用水粉狀炭吸附處理是把粉狀炭先配成炭漿，隨水連續(xù)投加，經(jīng)吸附后再?gòu)乃兄亓Ψ蛛x出來。粉狀炭吸附處理可與其他處理工藝合并在一起進(jìn)行。例如在自來水廠中，粉狀炭一般是在預(yù)處理處投加，或是與混凝劑一起投加，經(jīng)過混凝反應(yīng)后，與混凝劑、懸浮物等共同形成礬花體，再在后續(xù)的沉淀池中沉降分離。

粉狀炭吸附的優(yōu)點(diǎn)是：除投加系統(tǒng)外，可不增加處理構(gòu)筑物；可用于水源水水質(zhì)惡化的補(bǔ)充與應(yīng)急處理系統(tǒng)。不足之處是：粉狀炭難于回收，屬一次性使用，盡管粉狀炭的價(jià)格低于粒狀炭，但處理費(fèi)用也不低。此外，因粉狀炭吸附中炭是與出水濃度相平衡進(jìn)行吸附的，炭的吸附能力未得到充分發(fā)揮。

對(duì)于生活飲用水處理中主要采用的粒狀炭，其運(yùn)行方式可以分為吸附與再生兩個(gè)階段。

1．吸附

粒狀炭吸附采用粒狀炭過濾的形式。在水廠中，粒狀活性炭吸附設(shè)備多采用重力式過濾床的形式，根據(jù)水在炭層中的流向，又分為降流式和升流式兩種。對(duì)于小區(qū)處理站和家用凈水器，粒狀炭吸附設(shè)備采用壓力式活性炭吸附罐。

按照活性炭吸附工藝的理論，在炭床中炭層分為：飽和層、吸附帶、未工作層三部分，以降流式為例，隨著吸附運(yùn)行時(shí)間的增加，進(jìn)水首先與上部的炭接觸，在吸附帶中吸附質(zhì)被吸附，使上部的飽和層不斷加厚，吸附帶逐步下移。

以上炭床分層的分析是基于單一吸附質(zhì)的。在實(shí)際的飲用水處理中，活性炭吸附面臨的往往是多組分、低濃度、長(zhǎng)吸附周期，存在競(jìng)爭(zhēng)吸附和排代吸附（排代吸附指炭上已被吸附的弱吸附質(zhì)被水中強(qiáng)吸附質(zhì)所取代，造成弱吸附質(zhì)脫附的現(xiàn)象），并在一個(gè)吸附周期（大約一年）中要進(jìn)行多次炭床的反沖洗（自來水廠中炭濾池需每周沖洗），炭層經(jīng)常被混層。在此種運(yùn)行條件下，炭床中并無明顯的吸附能力分層現(xiàn)象。

當(dāng)出水不能達(dá)到處理要求時(shí)，炭床退出運(yùn)行進(jìn)行活性炭的再生。對(duì)于原水水質(zhì)較好的飲用水處理，活性炭的吸附周期一般在1年左右。但是如果原水水質(zhì)較差，則炭的吸附周期將大為縮短，只有幾個(gè)月。此外，如果采用不同的控制指標(biāo)，炭床的吸附周期也不同。如果以吸附性極差的三鹵甲烷作為炭床工作的終點(diǎn)，吸附周期只有1-3個(gè)月；但是如果以對(duì)嗅、味和有機(jī)物的綜合去除為工作終點(diǎn)，活性炭的吸附周期可達(dá)1年左右。對(duì)于家用凈水器的活性炭吸附罐，影響炭使用壽命的主要因素是：原水水質(zhì)、累計(jì)處理水量和裝炭量等。

2．再生

飽和的粒狀活性炭通過再生可以恢復(fù)炭的吸附能力。炭再生方法有：熱再生法、溶劑再生法、蒸汽再生法等。其中，熱再生法的適用范圍最廣，飲用水吸附飽和炭的再生都是采用熱再生法。溶劑再生法和蒸汽再生法主要用于少數(shù)高濃度、單組分、有回收價(jià)值的工業(yè)廢水的活性炭吸附處理。

熱再生法的方式有：燃?xì)饣蛉加图訜崾�、放電加熱式、遠(yuǎn)紅外加熱式等。其中燃?xì)饣蛉加褪竭m合與大中型炭再生設(shè)備，放電加熱式和遠(yuǎn)紅外加熱式只適合于小型炭再生設(shè)備。

熱再生法的原理是在高溫下把已經(jīng)吸附在炭?jī)?nèi)的有機(jī)物燒掉（高溫分解），使炭恢復(fù)吸附能力。炭的再生工藝是：飽和炭→脫水→干燥→炭化→活化→冷卻→再生炭，與活性炭的生產(chǎn)工藝基本相似，只是用“脫水干燥”代替了生產(chǎn)中的“成型”�；钚蕴吭偕膿p失率約5%（燒失、磨損），炭吸附能力恢復(fù)>90%。常用的活性炭熱再生設(shè)備是立式多段再生爐。

設(shè)備

用于生活飲用水處理的粒狀活性炭吸附設(shè)備主要有：活性炭濾池和活性炭濾罐。

活性炭濾池多用于自來水廠，形式與常規(guī)處理的砂濾池基本相同，只是把砂濾料換成了粒狀炭，炭層厚度比原砂層略有增加，大約厚1m，常用濾速10-15m/h。活性炭濾池的結(jié)構(gòu)型式可以采用普通快濾池、虹吸濾池等池型。

活性炭濾罐主要用于小型給水、工業(yè)給水、小區(qū)處理站、直飲水凈水站、家用凈水器等�；钚蕴繛V罐采用金屬結(jié)構(gòu)，例如鋼罐、不銹鋼罐�；钚蕴繛V罐主要采用壓力式運(yùn)行，炭層高度1～2m，常用濾速15～20m/h。但家用凈水器因尺寸所限，所用活性炭罐較小，需要較頻繁地?fù)Q炭。

活性炭吸附飽和后需要換炭。大中型活性炭?jī)羲O(shè)備的飽和炭一般經(jīng)再生后重復(fù)使用，只需添加少量新炭（用于補(bǔ)充再生損耗）。對(duì)于炭的再生，大型水廠可以自建活性炭再生設(shè)備，也可以送專業(yè)活性炭再生廠家進(jìn)行再生，再生費(fèi)用大約為新炭費(fèi)用的四分之一（自行再生）到二分之一（外送商業(yè)再生）。為了方便管理，小型吸附設(shè)備的活性炭一般不再生，飽和后直接更換新炭。

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 活性炭在生活飲用水處理中的應(yīng)用

在生活飲用水處理中活性炭吸附主要用于：生活飲用水深度處理、生活飲用水預(yù)處理、優(yōu)質(zhì)直飲水純凈水生產(chǎn)、家用凈水器等。

生活飲用水深度處理

采用活性炭的飲用水深度處理工藝如圖2所示。

  使用活性炭的飲用水深度處理工藝

采用活性炭的生活飲用水深度處理工藝在歐洲已被廣泛采用。在我國(guó)目前僅極少數(shù)水廠采用了活性炭。在當(dāng)前我國(guó)水源受到污染，而人民群眾對(duì)生活飲用水水質(zhì)要求不斷提高的情況下，將有越來越多的水廠采用活性炭深度處理技術(shù)，目前一些城市正在籌備增設(shè)活性炭深度處理的水廠技術(shù)改造工程。表2中所列為目前我國(guó)已采用活性炭深度處理的部分水廠。

表2  我國(guó)采用活性炭進(jìn)行深度處理的水廠

生活飲用水預(yù)處理

在生活飲用水預(yù)處理中，可以使用粉狀炭吸附水中的有機(jī)物和嗅味物質(zhì)。對(duì)于季節(jié)性嚴(yán)重污染的水源水，可以設(shè)立投加粉狀炭的水源水質(zhì)惡化應(yīng)急處理系統(tǒng)。

優(yōu)質(zhì)直飲水、純凈水制備和家用凈水器

在優(yōu)質(zhì)直飲水、純凈水制備和家用凈水器中一般都需要使用粒狀活性炭吸附，吸附水中有機(jī)物，并對(duì)水進(jìn)行脫氯處理（因含氯水會(huì)使膜分離所用的有機(jī)膜老化）。

優(yōu)質(zhì)直飲水或純凈水的常用生產(chǎn)工藝如圖3所示。

  優(yōu)質(zhì)直飲水或純凈水生產(chǎn)工藝

家用凈水器常采用粒狀活性炭吸附罐與中空纖維超濾膜組合的技術(shù)路線，活性炭的作用是吸附水中有機(jī)物和嗅味物質(zhì)，中空纖維超濾膜的作用是濾除水中大分子有機(jī)物、顆粒雜質(zhì)和微生物等。

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