活性炭滤芯净水效果的影响因素研究

傅修军， 杨 闯， 牛翰彬

(中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037038)

活性炭滤芯净水效果的影响因素研究

傅修军， 杨 闯*， 牛翰彬

(中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037038)

以TDS、pH和余氯3个检测项目作为水质评价指标，对各种净水滤料进行比较与筛选，最终确定出煤质活性炭和争光树脂(ZGC258)为较佳净水滤料。通过考察滤芯外壳构造、滤料配比和活性炭粒度3个影响因素，确定出制作净水用活性炭滤芯的较佳工艺条件。

活性炭滤芯；净水效果；环境保护

饮用水作为战略性资源，目前在水质、水量及资源管理等方面存在着诸多问题，且各种有毒有害物质对水源的污染日益加重，饮用水安全已受到了严重威胁[1-3]。活性炭是一种多孔性碳素物质，其内部具有十分发达的孔隙结构、一定的机械强度和巨大的比表面积，具有很强的吸附性能[4]。它能脱色、脱臭、脱硫，能选择性地脱除液相或气相中某些杂质或组分，还能吸附某些催化剂，是良好的催化剂载体[5]。因此，活性炭有着非常广泛的用途。其中，最重要的应用是在水处理方面，活性炭可有效去除自来水中余氯、异色、异味、部分有机物及其他有害物质，改善口感。本研究充分利用了活性炭优良的净水性能，同时掺入一定比例的树脂滤料，二者的协同作用对改善自来水pH、溶解性总固体、总硬度和游离氯等指标具有很好的效果。通过考察滤芯外壳构造、滤料配比和活性炭粒度3个影响因素，确定出制作净水用活性炭滤芯的较佳工艺条件。

1 实验部分

1.1 滤芯滤料的选择

实验过程中用到的滤料如表1所示。

表1 实验所用滤料

1.2 活性炭的技术指标分析

表2为各种活性炭滤料的技术指标分析结果。1#代表某国产滤芯中活性炭，2#代表某进口滤芯中活性炭，3#代表椰壳活性炭，4#代表8×30目(8×600 μm)煤质活性炭，5#代表12×40目(12×425 μm)煤质活性炭。

表2 各种活性炭滤料的技术指标分析结果

依据GB/T 7701.2-2008《煤质颗粒活性炭净化水用煤质颗粒活性炭》[6]判定，1#活性炭水分、亚甲蓝吸附值、水溶物3项不合格，其余合格；2#活性炭水分、亚甲蓝吸附值2项不合格，其余合格；3#活性炭碘吸附值、亚甲蓝吸附值、水溶物3项不合格，其余合格；4#活性炭和5#活性炭各项均合格。

1.3 滤芯的制作步骤

1) 对原始活性炭滤料进行破碎、筛分，筛选出所需的粒度，将筛选出的活性炭用去离子水洗涤至无漂浮物及无黑水流出，并于110 ℃下干燥后备用；

2) 将树脂冲洗至出水呈无色备用，同时确定出湿树脂的含水率(由于树脂不能干燥保存，故需换算干湿树脂之间的质量)，经处理后的树脂作为滤料备用；

3) 按一定质量比调配活性炭和树脂，将称好的活性炭与树脂混合后填充到滤芯壳体中，即制作出滤芯。

1.4 水质指标检测

1.4.1 溶解性总固体(TDS)

溶解性总固体(TDS)是溶解于水里的固体物质的总量，以mg/L来显示。本实验通过TDS检测笔来测试水样中的TDS值，主要是通过检测水的导电性来判断水的纯净度。一般来讲，导电性越好，水中的溶解物越多，测出来的TDS值就越高。GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定，TDS≤1 000 mg/L。

1.4.2 pH

通过pH计直接读取水样的pH数值。GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定，6.5≤pH≤8.5。

1.4.3 余氯

本实验通过OTO余氯试剂滴定法测定水样中余氯含量，单位mg/L。将本试剂滴4滴于20 mL水样中摇匀，根据被测溶液的颜色变化，对照色别表，即可读得相应所测水样的数值。自来水检测，打开水龙头，自然流淌10 s左右，再取水样。GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定，管网末梢水中游离余氯质量浓度≥0.05 mg/L，净化后水中余氯质量浓度最好为0.0 mg/L。

2 结果与讨论

通过对1.1中的滤料进行单一或2种混合填充，制作出一系列A类和B类2种构造的滤芯。净水实验结果表明，椰壳活性炭、漂莱特树脂、争光树脂(ZGC108DQ)和酸处理争光树脂均存在不足。最终确定以煤质活性炭和争光树脂(ZGC258)为滤料制作滤芯，考察了滤芯外壳构造、滤料配比和活性炭粒度3个因素对滤芯净水效果的影响。

2.1 滤芯外壳构造对滤芯净水效果的影响

以A类和B类外壳构造上的不同为研究对象，考察滤芯外壳构造对滤芯净水效果的影响。以A3#与B3#、A4#与B4# 2组滤芯为例，对实验结果进行说明。其中，A3#与B3#填充等质量的8×30目(8×600μm)煤质活性炭滤料，A4#与B4#填充等质量的12×40目(12×425μm)煤质活性炭滤料。不同外壳下净水实验结果见表3。

表3 不同外壳下净水实验结果

由表3可知，A3#与B3#、A4#与B4#虽然外壳构造差异很大，但其净水效果基本上相同。滤芯外壳构造对TDS值的影响见图1，故滤芯外壳构造对滤芯净水效果几乎没有影响。另外，自制滤芯与市售滤芯净水效果的差异主要是因为各自所填充的滤料的不同。

图1 滤芯外壳构造对TDS值的影响

2.2 滤料配比对滤芯净水效果的影响

将8×30目(8×600μm)煤质活性炭进行破碎、筛分，筛选出18×40目(12×425μm)的颗粒，然后对其进行洗选、干燥，得到干净的18×40目(12×425μm)煤质活性炭。以18×40目(12×425μm)煤质活性炭和争光树脂(ZGC258)为滤料，按活性炭与树脂的质量比分别为8.0∶0.0、7.5∶0.5、7.0∶1.0、6.0∶2.0、5.0∶3.0和0.0∶6.0制作滤芯A19#、B13#、B14#、B12#、B15#和A24#，前5个滤芯填充滤料的总质量为88 g，A24#填充滤料的总质量为66 g。

表4为不同配比下净水实验结果。由表4可知，当滤料配比为8.0∶0.0，即填充单一活性炭滤料时，存在pH值过高的不足；当滤料配比为0.0∶6.0，即填充单一树脂滤料时，存在pH值过低和余氯去除不完全的不足；当填充活性炭和树脂的混合滤料时，随着活性炭占比的减小(或树脂占比的增大)，TDS值(滤料配比对TDS值的影响见图2)和pH值均随之降低；当滤料配比为5.0∶3.0时，虽然TDS值降低幅度最大，但其pH仍存在偏低的不足；对余氯指标而言，填充有活性炭滤料的滤芯(某国产和某进口滤芯也填充有活性炭)均对余氯具有较好的去除效果，而仅填充树脂的A24#滤芯只可部分去除余氯，说明活性炭是一种去除余氯的理想滤材。综合考虑检测的各项水质指标，滤料配比为7.5∶0.5、7.0∶1.0和6.0∶2.0等3个配比制作的滤芯均具有较好的净水效果，且优于市售某国产和某进口滤芯的净水效果。对比这3个配比滤芯的净水效果，配比为7.5∶0.5的滤芯，其TDS指标不及配比为7.0∶1.0的滤芯，配比为6.0∶2.0的滤芯，其pH指标处于国标限值的下限边缘，故确定7.0∶1.0为本实验的最佳滤料配比。

表4 不同配比下净水实验结果

图2 滤料配比对TDS值的影响

2.3 活性炭粒度大小对滤芯净水效果的影响

以8×30目(8×600μm)煤质活性炭为原料，经过破碎、筛分、洗选、干燥等处理工序获得干净的8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)等不同粒度范围的煤质活性炭。将煤质活性炭与争光树脂(ZGC258)的质量比设定为7.0∶1.0，考察活性炭粒度大小对滤芯净水效果的影响。填充8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)活性炭的滤芯分别命名为A25#、A26#、B16#、A27#、A28#和B14#。不同粒度下净水实验结果见表5。

表5 不同粒度下净水实验结果

由表5可知，随着活性炭粒度的减小(8×18>8×30>12×40>18×30>18×40>30×40)，TDS值总体上呈现逐渐降低的趋势(活性炭粒度大小对TDS值的影响见第143页图3)，这说明活性炭粒度大小对滤芯的净水效果具有明显影响。因为活性炭粒度越小，与树脂粒度[18×50目(18×300μm)]越接近，其混合滤料填充的滤芯内颗粒间的孔隙率越小，滤料与自来水的接触就越充分，故对自来水的净化效果也就越好。由于是同一来源的活性炭，活性炭与树脂的配比又是一样的，所以不同活性炭粒度制作的滤芯净化后水样的pH值较为接近。另外，表5中所有滤芯均对余氯具有较好的去除效果。与市售某国产和某进口滤芯相比，活性炭粒度为12×40目(12×425μm)、18×30目(18×600μm)、18×40目(18×425μm)和30×40目(30×425μm)填充的滤芯均具有优于二者的净水效果。虽然活性炭的粒度越小净水效果越好，但是粒度越小越不易筛选，且越容易产生黑炭粉。考虑到活性炭粒度要方便易得，活性炭大生产中生产的净化水用煤质颗粒活性炭常要求为8×30目(8×600μm)和12×40目(12×425μm)2种粒度范围，故本实验初步确定直接选用粒度为12×40目(12×425μm)的煤质活性炭作为滤芯中的活性炭滤料。

图3 活性炭粒度大小对TDS值的影响

2.4 第三方检测结果

通过将某国产、某进口及部分自制滤芯委托大同市沃特水质检测有限责任公司对以其实验室(游离氯指标需进行现场检测)自来水为水源水的净化前后水样进行第三方检测，得到的第三方水质检测结果见表6。pH、溶解性总固体、总硬度和游离氯的检测方法及依据分别为(GB/T 5750.4-2006)中的5.1玻璃电极法、(GB/T 5750.4-2006)中的8.1称量法、(GB/T5750.4-2006)[7]中的7.1乙二胺四乙酸二钠滴定法和(GB/T 5750.11-2006)[8]中的1.2 3,3′,5,5′-四甲基联苯胺比色法，检验结果依据GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》[9]判定。

表6 第三方水质检测结果

由第三方水质检测结果可知，送检的自制滤芯B13#、B14#、B12#、A28#和A26#均对自来水具有良好的净化效果，且B14#和B12#的各项指标均优于市售某国产和某进口滤芯。可见，第三方水质检测报告的结果与本实验室自测结果总体上是吻合的。

3 结论

通过制作一系列A类和B类滤芯，以TDS、pH和余氯3个检测项目作为水质评价指标，对各种净水滤料进行比较与筛选，最终确定出煤质活性炭和争光树脂(ZGC258)为较佳净水滤料。然后，通过考察滤芯外壳构造、滤料配比和活性炭粒度3个影响因素，确定出制作净水用活性炭滤芯的较佳工艺条件。得到的主要结论如下：

1) 滤芯外壳构造对滤芯的净水效果几乎没有影响，滤芯的净水效果主要取决于所填充的滤料性质，所用活性炭滤料应满足GB/T 7701.2-2008《煤质颗粒活性炭·净化水用煤质颗粒活性炭》的技术指标要求。

2) 自制滤芯B13#[7.5∶0.5,18×40目(18×425μm)]、B14#[7.0∶1.0,18×40目(18×425μm)]、B12#[6.0∶2.0,18×40目(18×425μm)]、A28#[7.0∶1.0,12×40目(12×425μm)]、A26#[7.0∶1.0,18×30目(18×600μm)]和B16#[7.0∶1.0,30×40目(30×425μm)]的净水效果均优于市售某国产和某进口滤芯。为方便与大生产有效对接，经综合考虑，确定将滤料配比为7.0∶1.0、活性炭粒度为12×40目(12×425μm)作为最佳的制作工艺条件。

[1] 尹军,谭学军,赵可,等.饮用水深度处理技术若干研究进展[J].吉林建筑工程学院学报,2004,21(2):7-13.

[2] 赵久艾,高红,孙津清.城市饮用水水质分析现状与评价[J].中国化工贸易,2015(14):20.

[3] 陈新波,李聪.国内外饮用水标准中部分指标的比较[J].科技创新导报,2015(27):218-220.

[4] 赵文艳.大同煤生产高吸附活性炭工艺条件的选择[J].科技情报开发与经济,2006,16(1):170-172.

[5] 沈渊玮,陆善忠.活性炭在水处理中的应用[J].工业水处理,2007,27(4):13-16.

[6] 质量监督检验检疫总局.煤质颗粒活性炭净化水用煤质颗粒活性炭：GB/T 7701.2-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[7] 卫生部.生活饮用水标准检验方法感官性状和物理指标：GB/T 5750.4-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8] 卫生部.生活饮用水标准检验方法消毒剂指标：GB/T 5750.11-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[9] 卫生部.生活饮用水卫生标准：GB 5749-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

Study on factors affecting the efficiency of water purification with activated carbon filter

FU Xiujun, YANG Chuang*, NIU Hanbin

(CRRC Datong Co., Ltd., Datong Shanxi 037038, China)

With three test items (TDS, pH and residual chlorine) as indicators of water quality evaluation, a variety of water purification filter materials were compared and selected, and then the coal-based activated carbon and Zhengguang resin (ZGC258) were eventually determined as the better water purification filter materials. By investigating three influence factors, including the filter shell structure, the ratio of filter materials and the particle size of activated carbon, the process conditions which made the activated carbon filters used for water purification better were determined.

activated carbon filter; water purification efficiency; environmental protection

2017-05-15

傅修军，男，1987年出生，2014年毕业于燕山大学，硕士学位，工程师。研究方向：活性炭功能材料。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.49

TQ085；TQ424.1

A

1004-7050(2017)04-0140-04

*通讯作者：杨 闯，高级工程师。

环境保护