活性炭在建筑给水深度处理中的应用

活性炭在建筑给水深度处理中的应用提要我国和国际上对生活饮用水的水质要求越来越高，有机污染对人体的影响受到给排水工作者的高度重视。建筑给水的深度处理中。常用活性发技术去除水中的有机物，本文对活性炭、活性炭过滤器及活性炭净水技术作了较详细的介绍。关键词水质标准有机污染深度处理活性炭过滤器净水技术1.饮用净水与活性碳1.1生活饮用水的水质标准与有机污染的控制生活饮用水的水质标准与人们的生活水平和身体健康密切相关，是公众关注的热点.改革开放以来，我国在经济高速发展、生活水平显著提高的同时，也给水环境带来较大的污染；同时，社会对生活饮用水水质的要求在不断提高。我国1959年颁布的第一个生活饮用水水质标准，含有19项水质指标：1976年修订的标准将水质指标增加到23项；目前执行的《生活饮用水水质标准》GB5749-85是根据我国的国增于1985年制定的，正式规定的限量参数为35项。1999年7月建设部颁发了行业标准《饮用净水水质标准》CJ94-1999，规定的限且参数增加至39项，其中新增的高锰酸钾消耗量（CODcm）与总有机碳（TOC）均是检测有机污染物质的。通过我国和国外的生活饮用水水质标准发展过程可以看出，原来的生活饮用水水质标准主要从感观性状、化学毒性学、细菌学等指标来制定的；工业现代化在近几十年中迅速发展，城市化和人口增长尤其是化学工业高速发展，人工合成的化学物质总数已超过4万种，且以每年上千种新物质被合成的速度递增，这些化学物质中的相当大的一部分通过人类的活动进入水体，在繁多的化学物质中，有机污染物的数量和浓度占绝大多数，不少有机化合物对人体有急性或慢性、直接或间接的三致作用（致癌、致突变、致畸）。因此，在生活饮用水水质标准中增加对这些有机化合物含色的限制是必要的。同时，60年代国外发现用氯消毒产生的副产物对人体有危害以后，许多学者又进行了人工合成的化学物质对人体健康危害的研究：在人们密切关注二致物质危害的同时，近年来通过对内分泌紊乱的原因分析研究，认识到人造化学物质还可能正在严重破坏人和野生动物的激素；过去曾认为低水平污染是安全的，现在则认识到低水平的污染也将危害我们的健康；在已确定的50种据认为可影响内分泌系统的化学物质中，约有一半是氯化物（如二恶英、多级联苯等）、杀虫剂、滴滴涕。我国是一个地域辽阔的发展中阐家，虽然各地经济发展速度不一，但现在大中型城市己基本具有完备的城市集中供水系统，自来水的浊度、余氯、细菌总数与总大肠菌群等均能达标，水传播的疾病己被完平控制。但是城市自来水厂常规的混凝、沉淀与过滤工艺对受到污染水源只能去除水中20％～30％的有机物，常规处理出不能有效地解决地面水源中普遍存在的氨氮问题，当采用折点加氯来控制水中的氨氮和获得必要的活性余氯时，由此产生了大量的有机氯化物，因此控制有机污染日益成为大家关注的热点。近年来我国瓶装饮用水销量逐年增家，1999已达400万吨，这充分说明了人们对饮用水水质的重视。日前的净水技术己经能将任何水质的水处理达到饮用水的水质，但是根据我国的国情如将城市自水厂均普遍增加深度处理来达到持制有机污染们个现实。当些小区、建筑物对水质要求较高、或需设计饮用净水系统时，采用局部深度处理的方案是经济可行的，这也是建筑给排水工作者近年来普遍采用的方法。建筑给水深度处理是指在水厂常规处理工艺以后，在小区、建筑物内采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物加以去除，保证和提高饮用水质。目前，我国在建筑给水的深度处理中，活性炭技术被广泛应用。1.2活性炭的历史及在净水技术中的作用最早记载炭的吸附能力是1773年谢勒用气体作的试验，1785年洛伊兹注意到炭对溶液具有脱色效果，此后木炭被用于蔗糖净化；1900年至1901年奥斯特来科取得制造活性炭的专利，使活性炭商品化得以飞速发展；第一次世界大战中活性炭用于防毒面具，研制、生产了颗粒活性炭。活性炭最早是用于气（汽）相，世界大战后活性炭被用于液相脱色。50年代初期，西欧一些以地面水为水源的水厂开始使用活性炭，欧洲和美国最初使用活性目的都是为了去除水中的色和嗅。由《生活饮用水水质标准》和《饮用净水水质标准》的对比可以得知，饮用净水在有机物指标CODcr与TOC上有限量要求，而对氯仿、四级化碳、滴滴涕（DDT）和六六六等污染物的含量有了更严格的限定（见附表）。建筑给水深度处理的主要任务之一正是降低有机物的含量。而活性炭同其突出的吸附性能在去除有机物方面发挥了较为重要的作用。吸附是常用的控制水中痕量有机污染物质的处理方法，吸附容量的大小是衡量一种吸附剂优劣的重要指标之一。活性炭具有较大的比表面积，其微孔的内表面积占总面积的95％以上，是水质处理吸附法中应用最为广泛的吸附剂。饮用水中的三卤甲烷主要是由纽和有机物反应后产生的，研究表明活性炭对三卤甲烷有一定的吸附能力；活性炭对水中其它有机物也有吸附作用，不同类型的活性炭对不同的有机物吸附作用不尽相同；人们通过研究发现活性炭对微量有机污染物有独特的吸附作用，但对水中某些有机物的吸附有一个最低浓度，低于这个最低浓度活性炭往往无法发挥作用。2.活性炭2.1活性炭的特性活性炭在水处理中的广泛应用主要由其理化特性决定的。活性炭的物理特性主要是指孔隙结构及其分布，这也是决定活性炭吸附性能的主要因素。活性炭在其活化过程中，会形成大量各种形状和大小的孔隙，因而具有巨大的表面积。在炭水接触过程中，极大的炭水接触界面是活性炭吸附能力的基础。优质活性炭的比表面积一股在1000m2／g以上，孔隙总容积一股可达0.6～1.8mL／g，孔径由0.001～10μm，按孔隙大小可分为大孔、过渡孔和微孔。孔隙同其大小的不同，特件也不同。我们将不问大小的孔隙特性列表做一比较：活性炭的吸附量不仅与表面积有关，更重要的是与孔隙的几种分布有关。当用于建筑给水深度处理时，活性炭的吸附是液相吸附。这时，大孔主要为吸附质的扩散提供通道，使之扩散到过渡孔与微孔中去。大孔本身的吸附能力虽然较小，但它却是吸附质扩散速度的制约因素。水中大分子有机物的吸附主要靠过渡孔，过渡孔又是小分子有机物到达微孔的通道。活性炭的化学特性主要是指它的极性。在活性炭的制造过程中，会因制作温度的不同在活性炭表面形成不同的氧化物基因，使活性炭具有一定的极性。例如，当制作温度在300～500℃时，酸性氧化物占优势，这种酸性氧化物在水中离子化时，活性炭就带负电荷；制作温度八三800～900℃时，碱性氧化物占优势，这种碱性氧化物分水中离子化时，活性炭就带正电荷；而制作温度在500～800℃时，活性炭兼具两性性质。由测定其电位得知，一般活性炭带负电荷，它在溶液中呈弱酸性，在pH值较低的酸性条件下，吸附较好；反之，在PH值较高的碱性条件下，则吸附较差。2.2活性炭的技术要求及建筑给水深度处理中活性炭的选择检测活性炭产品有较多技术指标。如碘吸附值、耐磨强度、比表面积、灰分、PH值等，现就其中主要的几个指标介绍如下。就吸附值（简称碘值），它是炭在定量浓度的碘溶液中，及规定的条件下，每克炭吸附碘的毫克数，它可用于鉴定活性炭对直径小于2nm的吸附质分子的吸附能力，且由此数值的降低值确定活性炭的再生周期。与之相类似的还有亚甲蓝吸附值、苯酚值等，它们用以鉴定活性炭对直径2～100nm的吸附质分子的吸附能力。耐磨强度（简称强度），用百分数表示，强度越高，表示活性炭颗粒越不易破碎，在吸附过程中不易泄漏破碎炭。国标GB／T7701.4－1997《净化水用煤质颗粒活性炭》中，详细列出了煤质颗粒活性炭的技术指标，如：孔容积应大于0.65mL/g，比表面积应大于900～1049mg／g，苯酚吸附值应大于140mg／g等。而碘吸附值、亚甲蓝吸附值、灰分和装须密度等技术指标的不同，可区分优级品、一级品或合格品。例如，碘吸附值大于1050mg／g的为优级品，900～1049mg／g的为一级品，800～899mg／g的为合格品。在建筑给水深度处理中常用的活性炭品种有果壳堤和煤质炭，果壳炭的生产原料有杏核、椰子壳、核桃壳等；煤质炭的生产原料有无烟煤、烟煤、褐煤等。近年来，椰壳炭由于具有最小的孔隙半径，比表面积大，碘值高，被认为是“最好的炭”，在饮用净水行业使用广泛。但我们通过分析椰壳炭孔隙的孔径分布可以知道：椰壳炭的孔隙中微孔所占的比例较高，而作为扩散通道的大孔和吸附大分子有机物的过渡孔所占比例较低，所以它的碘值可能很高而实际应用中这些吸附容量并未充分利用。而椰壳炭的原料来源有限，其价格几乎是所有炭种中最昂贵的。从性能价格比来说，椰壳炭不够经济。煤质活性炭具有较多的过渡孔和较大的平均孔径，能较有效地吸附去除水中分了量较大的有机物。在原水水质不够稳定，水中有机物的组成情况经常变化时，能较好地发挥吸附效能。煤质炭的机械强度较高，价格也较便宜，因此，在建筑给水深度处理中，煤质炭是较为经济适用的炭种。还应注意的是，同样是煤质炭，用于建筑给水深度处理中，应选择以无烟煤为原料的炭。其次是客观地看待活性炭的各项技术指标。例如碘值并非是越高越好，碘值反映的是活性炭比衷面积的大小，但由于防分子直径仅0.532nm，可以全部进入活性炭的孔隙中，而水中有机物分子直径比队分子大得多，不能完全进入活性炭所有的孔隙中去。所以破值虽然在一定程度上反映了活性炭的吸附能力，但在选择建筑给水深度处理用活性炭时.不能片面追求过高的碘值，因为碘值提高一个档次，发的价格会提高较多，而吸附效果却不一定提高或提高很少，这同样降低了其性能价格比。苯酚吸附值、亚甲蓝吸附值等评价指标相对于碘值来说，较能反映活性炭吸附去除水中有机物能力的大小，但由于苯酚和亚甲蓝仍是单一的化合物，与水中的有机物分子了相比，其分子直径仍较小，故它们仍不能确切表示活性炭吸附去除水中有机物能力的大小。日前，有学者正在研究探索一种新的技术指标，以某种大分子物质代替碘或苯酚等对活性炭的吸附能力进行测试，希望比现在常用的指标更能准确地反映活性炭吸附水中有机物的能力。我们还应注意活性炭吸附性能的衰减曲线。在建筑给水深度处理中，根据原水的污染使况测试活性炭的吸附件能，当衰减较慢，即衰减曲线较平缓时，该种活性炭的再生周期就长，从经济性和方便管理考虑，平缓的衰减曲线甚至比新炭的性能更值得重视。由于活性炭产品种类繁多，性能差异较大，而且不同类型的活性炭对不同的有机物吸附作用不尽相同。我们在选择活性炭品种时不仅应注意上述各项技术指标，还应注意分析原水中的微污染成分并掌握其随季节的变化规律。可靠的方法是用原水对几个炭种进行吸附性能试验比较，选择吸附容量大，出水水质合格稳定，再生周期长的炭种，在满足出水水质的基础上，兼顾经济性。2.3活性炭型号命名法和部分国产活性炭的主要性能活性炭的型号命名由国标用12495－90《活性炭型号命名法》规定，由大写汉语拼音字母和一或二组阿拉伯数字表示。它由三部分组成。表示外观形状及尺寸时，用字母表示外观形状，并以一或二组阿拉伯数字表示颗粒活性炭的尺寸。用F、B、Y、Q分别表小粉状、不定形颗粒、圆柱形和球形活性炭：不定形颗粒以上、下限尺寸表示，用乘上100的数字标出，圆柱形颗粒以其横截面的直径表示，用乘上10的数字标出，球形颗粒以直径表示，用乘上10的数字标出，字母与尺寸数字并列。尺寸单位均为mm。例如，型号MWY15，表示以煤为原料，采用水蒸气法活化制成的圆柱形颗粒活性炭，圆柱体横截面的直径为1.5mm。又如，型号QWB35X59，表示以椰子壳为原料，采用混合气体法活化制成的不定形颗粒活性炭，粒度范围为0.35～0.59mm。标准还规定，活性炭产品的命名包括产品名称和型号两部分。产品名称由生产单位按照主要用途自行命名。但目前国内市场上，各生产厂的产品样本上提供的均为产品名称，其字母和数字所表示的内容均由各厂自行定义，与标准的命名法不尽相同。我国规模较大的活性炭生产厂家有上海活性炭厂、北京光华木材厂、山两新华化工厂等。其中，上海活性炭厂生产各种原料的活性炭，其净水炭有椰壳炭和杏、核桃壳炭及煤质炭；北京光华木材厂的净水炭以果壳（核）炭为主；山西新华化工厂依托当地丰富