活性炭在深度处理饮用水上的技术

发布日期:2018/1/8

活性炭属于一种非极性吸附剂,对非极性、弱极性的有机物有很好的吸附能力。在水处理中,活性炭作为一种深度处理技术,可以用来吸附去除水中的有机物、色、嗅、味和部分重金属离子。

1活性炭吸附原理活性炭的制造与性能

活性炭的形态主要分为粒状炭(GAC)和粉状炭(PAC)两大类。粒状炭可在自来水厂、小区处理站或家用净水器中用于水质的深度处理。粉状炭主要在水源水质季节性恶化的自来水厂中用于水质预处理或应急处理。近年来又开发了活性炭纤维(ACF)产品,活性炭纤维具有更为丰富的微孔,吸附容量与吸附速度都优于粒状炭,但价格很高,目前只在极少数家用净水器中采用。

活性炭是用含有碳的原料制成的,其材料包括:煤、果壳、木屑等。经过高温炭化和活化后,形成了含有丰富孔隙结构的活性炭产品。果壳炭的吸附性能要优于煤质炭,但价格也较高。自来水厂和小区处理站多采用煤质炭,家用净水器多采用性能更高的果壳炭。活性炭的制造工艺见图1

活性炭制造工艺 

活性炭制造工艺

活性炭中的孔隙可以分成三类:

    (1)微孔,孔径<40Å,其表面积占活性炭总的表面积的95%以上,是活性炭的主要吸附区;

    2)中孔,又称过渡孔,孔径40-1000Å,其表面积占总表面积的5%以下,中孔为吸附质进入微孔提供了通道,并可以吸附一些大分子有机物,但因其表面积较小,对大分子有机物的吸附能力有限;    

     (3)大孔,孔径>1000Å,占总表面积的不到1%,主要为吸附质提供通道。

活性炭的孔隙率可达0.60.9cm³/g,比表面积在700-1200/g。活性炭的吸附机理主要是物理吸附,通过很大的比表面积对吸附质进行吸附。活性炭在高温制备过程中,炭的表面形成了多种官能团,这些官能团对水中的部分离子有一定的化学吸附作用,因此活性炭也可以去除多种重金属离子,其作用机理是通过络合螯合作用,它的选择性较高,属单层吸附,并且脱附较为困难。

1为太原新华化工厂生产的ZJ15活性炭的性能指标。该炭为煤质炭,在国内自来水厂中使用极为广泛,参考价格每吨约6000元。

活性炭性能指标

1 ZJ15活性炭性能指标吸附容量与吸附等温线

活性炭吸附可以分称为两大类:液相吸附和气相吸附。液相吸附属于固液吸附,如水处理中的活性炭吸附,是本书主要论述对象;气相吸附属于固气吸附,如用活性炭进行工业有机废气处理、用于防毒面具等。

1.吸附影响因素

1 吸附质的化学性状吸附质的极性越强,则被活性炭吸附的性能越差。(2 吸附质的分子大小活性炭的主要吸附表面积集中在孔径<40Å的微孔区。饮用水处理中实测发现活性炭主要去除分子量<1000的物质,其最大去除区间的分子量为500-1000(饮用水水源中分子量<500部分主要为极性物质,不易被活性炭吸附)。

2.吸附容量确定

活性炭吸附对特定吸附质的吸附容量一般用静态烧杯试验确定:取一定量的实际水样于烧杯中,加入不同炭量,搅拌吸附,待吸附平衡后,测定平衡浓度,计算吸附容量。为加速吸附过程,粒状炭先研磨成粉状,过325目筛。吸附平衡时间大约为1h.

活性炭吸附容量计算式

2活性炭吸附的运行方式与设备

运行方式

活性炭分粉状炭和粒状炭两大类,其运行方式与设备各不相同。生活饮用水粉状炭吸附处理是把粉状炭先配成炭浆,随水连续投加,经吸附后再从水中重力分离出来。粉状炭吸附处理可与其他处理工艺合并在一起进行。例如在自来水厂中,粉状炭一般是在预处理处投加,或是与混凝剂一起投加,经过混凝反应后,与混凝剂、悬浮物等共同形成矾花体,再在后续的沉淀池中沉降分离。    粉状炭吸附的优点是:除投加系统外,可不增加处理构筑物;可用于水源水水质恶化的补充与应急处理系统。不足之处是:粉状炭难于回收,属一次性使用,尽管粉状炭的价格低于粒状炭,但处理费用也不低。此外,因粉状炭吸附中炭是与出水浓度相平衡进行吸附的,炭的吸附能力未得到充分发挥。    对于生活饮用水处理中主要采用的粒状炭,其运行方式可以分为吸附与再生两个阶段。

1.吸附

粒状炭吸附采用粒状炭过滤的形式。在水厂中,粒状活性炭吸附设备多采用重力式过滤床的形式,根据水在炭层中的流向,又分为降流式和升流式两种。对于小区处理站和家用净水器,粒状炭吸附设备采用压力式活性炭吸附罐。

按照活性炭吸附工艺的理论,在炭床中炭层分为:饱和层、吸附带、未工作层三部分,以降流式为例,随着吸附运行时间的增加,进水首先与上部的炭接触,在吸附带中吸附质被吸附,使上部的饱和层不断加厚,吸附带逐步下移。

以上炭床分层的分析是基于单一吸附质的。在实际的饮用水处理中,活性炭吸附面临的往往是多组分、低浓度、长吸附周期,存在竞争吸附和排代吸附(排代吸附指炭上已被吸附的弱吸附质被水中强吸附质所取代,造成弱吸附质脱附的现象),并在一个吸附周期(大约一年)中要进行多次炭床的反冲洗(自来水厂中炭滤池需每周冲洗),炭层经常被混层。在此种运行条件下,炭床中并无明显的吸附能力分层现象。

当出水不能达到处理要求时,炭床退出运行进行活性炭的再生。对于原水水质较好的饮用水处理,活性炭的吸附周期一般在1年左右。但是如果原水水质较差,则炭的吸附周期将大为缩短,只有几个月。此外,如果采用不同的控制指标,炭床的吸附周期也不同。如果以吸附性极差的三卤甲烷作为炭床工作的终点,吸附周期只有1-3个月;但是如果以对嗅、味和有机物的综合去除为工作终点,活性炭的吸附周期可达1年左右。对于家用净水器的活性炭吸附罐,影响炭使用寿命的主要因素是:原水水质、累计处理水量和装炭量等。

2.再生

饱和的粒状活性炭通过再生可以恢复炭的吸附能力。炭再生方法有:热再生法、溶剂再生法、蒸汽再生法等。其中,热再生法的适用范围最广,饮用水吸附饱和炭的再生都是采用热再生法。溶剂再生法和蒸汽再生法主要用于少数高浓度、单组分、有回收价值的工业废水的活性炭吸附处理。   热再生法的方式有:燃气或燃油加热式、放电加热式、远红外加热式等。其中燃气或燃油式适合与大中型炭再生设备,放电加热式和远红外加热式只适合于小型炭再生设备。

热再生法的原理是在高温下把已经吸附在炭内的有机物烧掉(高温分解),使炭恢复吸附能力。炭的再生工艺是:饱和炭→脱水→干燥→炭化→活化→冷却→再生炭,与活性炭的生产工艺基本相似,只是用“脱水干燥”代替了生产中的“成型”。活性炭再生的损失率约5%(烧失、磨损),炭吸附能力恢复>90%。常用的活性炭热再生设备是立式多段再生炉。

设备

用于生活饮用水处理的粒状活性炭吸附设备主要有:活性炭滤池和活性炭滤罐。

活性炭滤池多用于自来水厂,形式与常规处理的砂滤池基本相同,只是把砂滤料换成了粒状炭,炭层厚度比原砂层略有增加,大约厚1m,常用滤速10-15m/h。活性炭滤池的结构型式可以采用普通快滤池、虹吸滤池等池型。

活性炭滤罐主要用于小型给水、工业给水、小区处理站、直饮水净水站、家用净水器等。活性炭滤罐采用金属结构,例如钢罐、不锈钢罐。活性炭滤罐主要采用压力式运行,炭层高度12m,常用滤速1520m/h。但家用净水器因尺寸所限,所用活性炭罐较小,需要较频繁地换炭。 活性炭吸附饱和后需要换炭。大中型活性炭净水设备的饱和炭一般经再生后重复使用,只需添加少量新炭(用于补充再生损耗)。对于炭的再生,大型水厂可以自建活性炭再生设备,也可以送专业活性炭再生厂家进行再生,再生费用大约为新炭费用的四分之一(自行再生)到二分之一(外送商业再生)。为了方便管理,小型吸附设备的活性炭一般不再生,饱和后直接更换新炭。

活性炭在生活饮用水处理中的应用

在生活饮用水处理中活性炭吸附主要用于:生活饮用水深度处理、生活饮用水预处理、优质直饮水纯净水生产、家用净水器等。

生活饮用水深度处理

采用活性炭的饮用水深度处理工艺如图2所示。

活性炭饮用水深度处理工艺

2  使用活性炭的饮用水深度处理工艺 采用活性炭的生活饮用水深度处理工艺在欧洲已被广泛采用。在我国目前仅极少数水厂采用了活性炭。在当前我国水源受到污染,而人民群众对生活饮用水水质要求不断提高的情况下,将有越来越多的水厂采用活性炭深度处理技术,目前一些城市正在筹备增设活性炭深度处理的水厂技术改造工程。表2中所列为目前我国已采用活性炭深度处理的部分水厂。 

2  我国采用活性炭进行深度处理的水厂

活性炭深度处理水厂

生活饮用水预处理

在生活饮用水预处理中,可以使用粉状炭吸附水中的有机物和嗅味物质。对于季节性严重污染的水源水,可以设立投加粉状炭的水源水质恶化应急处理系统。

优质直饮水、纯净水制备和家用净水器

在优质直饮水、纯净水制备和家用净水器中一般都需要使用粒状活性炭吸附,吸附水中有机物,并对水进行脱氯处理(因含氯水会使膜分离所用的有机膜老化)。

优质直饮水或纯净水的常用生产工艺如图3所示。

优质直饮水或纯净水生产工艺

3  优质直饮水或纯净水生产工艺

家用净水器常采用粒状活性炭吸附罐与中空纤维超滤膜组合的技术路线,活性炭的作用是吸附水中有机物和嗅味物质,中空纤维超滤膜的作用是滤除水中大分子有机物、颗粒杂质和微生物等。

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