活性炭—陶粒复合滤料吸附性能试验研究

李 满，李 莹

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2.山东电视台农科频道，济南250062）

由于水源水受到污染，溶解性有机物、氨氮浓度升高，常规水处理工艺很难使水质达到饮用水标准［1-2］。饮用水中氨氮浓度过高可能造成亚硝酸盐浓度升高，而水中溶解性有机物特别是有机卤化物通常是“三致物质”的前驱物，如果在水处理过程中未能得到有效去除，则在后续的加氯消毒过程中，其中的一部分有机物会转变成“三致”物质，对人体健康存在着潜在的危害［3］。因此，进一步研究污染物的去除方法及其效果有着积极而深远的意义［4-5］。活性炭作为一种良好的吸附剂［6-7］，已广泛应用于水处理技术的研究和实践。

作为一种非极性吸附剂，活性炭易吸附非极性分子，其孔隙范围较大，吸附不同直径有机物分子的范围较大，但对极性有机物特别是危害较大的卤代烃吸附效果不好，且活性炭价格高，再生费用大［8-9］。而陶粒是极性很强的吸附剂，对极性分子和不饱和分子有很强的亲和力，对非极性分子中极化率大的分子也有较高的选择吸附优势。对当前饮用水中常见的污染物NH3-N，陶粒的吸附能力远超过活性炭，对其他一些极性小分子有机物的去除能力，也会强于活性炭［10-11］。另外，陶粒比活性炭经济，是一种很有前途的水处理滤料。若将陶粒与活性炭吸附工艺联合使用，相互取长补短，能够更加彻底地去除饮用水中的各种污染物。

1 试验材料及分析方法

1.1 试验材料

试验中采用的陶粒是由多种天然环境矿石经过粉碎后加入多种特殊的触媒，烧制成网状结构，再经过高温炼烧而成的，颜色为乳白色，主要性质及成份见表1。活性炭为粒状炭，规格见表2。

表1 陶粒的主要性质及成份

表2 活性炭主要性质

1.2 分析指标及方法

分析指标及方法见表3。

表3 分析指标及方法

2 静态吸附试验结果与分析

2.1 活性炭—陶粒最佳配比试验

在总投加量不变的基础上，将陶粒、按质量比不同复合的活性炭—陶粒、活性炭作为11种吸附剂进行静态吸附试验。在11个250ml锥形瓶中加入200ml水样，分别加入0.6g吸附剂，然后放在恒温震荡器上在室温条件下进行震荡4h后，静置30min后取上清液，测定其各个参数值。试验结果如表4所示。

表4 最佳配比试验结果

试验证明，随着活性炭在复合吸附剂中比例的增加，对有机物的去除效果明显加强，对氨氮的吸附则逐渐降低。其中，当吸附剂中活性炭的质量分数为70%时，对CODMn和氨氮的去除效果均较好，去除率分别大于25%和30%。随着陶粒百分比的提高，尽管对氨氮的去除率有所升高，但对CODMn的去除率有较大降低。因此，本试验确定复合吸附剂的最佳配比为70%活性炭+30%陶粒。

2.2 活性炭—陶粒吸附平衡时间的确定

在8个250ml锥形瓶中加入200ml水样，分别加入0.6g最佳配比的复合吸附剂，然后放在恒温震荡器上在室温条件下进行震荡，每隔1h取一次样，分别静置30min后取上清液，测定其各个参数值。试验结果如表5、图2所示。

表5 活性炭—陶粒吸附平衡试验结果

试验表明吸附过程进行到4h时，活性炭—陶粒对CODMn及氨氮的吸附量基本趋于恒定，表明活性炭—陶粒的吸附过程已接近平衡，因此，可以确定活性炭—陶粒对CODMn及氨氮的吸附平衡时间为4h。

2.3 活性炭—陶粒复合吸附等温式

2.3.1 活性炭吸附等温式的确定

在8个250ml锥形瓶中加入200ml水样，分别加入0.1～1.0g（0.5～5g/L）活性炭，然后放在恒温震荡器上在室温条件下进行震荡4h达到吸附平衡后，分别静置30min后取上清液，测定其各个参数值，并计算活性炭对CODMn的吸附量。试验结果如表6所示。

表6 活性炭等温吸附试验结果

由于活性炭表面能分布的不均匀性，活性炭对水中有机物的吸附符合Freundlich吸附等温式，即

式中 qe为单位质量的活性炭所吸附的量（mg/g）；x为吸附的量（mg/L）；m为活性炭的量（g/L）；K、n为常数；Ce为吸附质的平衡浓度（mg/L）。

其对数形式为：

根据试验数据，以lgCe为横坐标，lgqe为纵坐标，作lgCe～lgqe图，如图3所示。

最终确定活性炭对水中CODMn的吸附等温式为：

2.3.2 活性炭—陶粒复合吸附等温式的确定

在8个250ml锥形瓶中加入200ml水样，分别加入0.1～1.0g（0.5～5g/L）复合吸附剂，试验结果如表7、图4所示。

表7 活性炭—陶粒等温吸附试验结果

最终确定活性炭—陶粒对水中CODMn的吸附等温式为：

根据Freundlich吸附曲线qe=KCe1/n，比较式（3）与式（4）可知，式中1/n均小于2，表明吸附相对容易进行；而式（4）中lgK大于式（3），表明该吸附剂更适合于低浓度污染物的吸附［12］。利用K和1/n两个常数，比较两种吸附剂的吸附特性得出，对于微污染水源，活性炭—陶粒对水中有机物的吸附性能优于单独使用活性炭。

表7亦证明，当复合吸附剂投加量在3g/L时，处理后水中的CODMn降到2.97mg/L，去除率达到28.6%；氨氮降到0.35mg/L，去除率达到34%。因此，确定活性炭—陶粒最佳投加量为3g/L，此时对CODMn和氨氮的去除效果最好。

3 结语

（1）从污染物极性角度考虑，将活性炭与陶粒组成复合滤料，提出了无机+有机吸附剂组合强化去除水中污染物的作用机制，开发了活性炭—陶粒复合吸附组合工艺。

（2）通过静态吸附试验研究确定活性炭对水中CODMn的吸附等温式为qe=0.0407Ce0.6028；通过静态选炭试验确定吸附剂的最佳配比为70%活性炭+30%陶粒。

（3）确定活性炭—陶粒对CODMn及氨氮的吸附平衡时间为4h；最佳投加量为3g/L；确定活性炭—陶粒对水中CODMn的吸附等温式为：qe=0.1165Ce1.1984。利用K和1/n两个常数，比较两种吸附剂的吸附特性得出：活性炭—陶粒组合对微污染水中CODMn的吸附性能优于活性炭。

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