活性炭的預(yù)期指數(shù)和選擇

活性炭的指標(biāo)和選擇碘值碘值是指活性炭在0.02N12/KL水溶液中吸附的碘的量。碘值與直徑大于10A的孔隙表面積相關(guān)聯(lián)，碘值可以理解為總孔容的一個(gè)指示其器。糖蜜值糖蜜值是測(cè)量活性炭在沸騰糖蜜溶液的相對(duì)脫色能力的方法。糖蜜值被解讀為孔直徑大于28A的表面積。因?yàn)樘敲凼嵌嘟M分的混合物，必須嚴(yán)格按照說(shuō)明測(cè)試本參數(shù)。糖蜜值是用活性炭標(biāo)樣和要測(cè)試的活性炭的樣品處理糖蜜液，通過(guò)計(jì)算過(guò)濾物的光學(xué)密度的比率而得。堆積重堆積重是測(cè)量特定量炭的質(zhì)量的方法。通過(guò)逐漸把活性炭添加一個(gè)有刻度圓桶內(nèi)至 100cc,并測(cè)量其質(zhì)量。該值被用于計(jì)算填充特定吸附裝置所需活性炭數(shù)量。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，堆積重是活性炭每單位體積的重量。顆粒密度顆粒密度是每單位體積顆粒炭的重量， 不包括顆粒以及大于0.1mm裂隙間的空間。顆粒密度是用水銀置換來(lái)測(cè)定的。四氯化碳四氯化碳值是總孔容的指示器，是用飽和的零攝氏度的 CCI4氣流通過(guò)25度的炭床來(lái)測(cè)量的。在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量被吸附的 CCI4的重量直到樣品的重量變化可以忽略不計(jì)為

止。亞甲藍(lán)亞甲藍(lán)值是指1.0克炭與1.0mg/升濃度的亞甲藍(lán)溶液達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)吸收的亞甲藍(lán)的毫克數(shù)。硬度硬度是測(cè)量活性炭機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)。 重量的改變，用百分比表示。更確切地講，硬度值是指顆?；钚蕴吭赗O-TAP儀器中對(duì)鋼球衰變運(yùn)動(dòng)的阻力。在炭與鋼球接觸過(guò)以后，通過(guò)利用篩子上的炭的重量來(lái)計(jì)算硬度值。磨損值磨損值是測(cè)量活性炭的耐磨阻力的指標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量 MPD的變化，通過(guò)百分比來(lái)表示。顆?；钚蕴康哪p值說(shuō)明顆粒在處理過(guò)程中降低顆粒的阻力。它是通過(guò)在 RO_TAP機(jī)器中將炭樣品和鋼球接觸，測(cè)定最終的顆粒平均直徑與原始顆粒的平均直徑的比率來(lái)計(jì)算的。丁烷值丁烷值是飽和空氣與丁烷在特溫度和特定的壓力下通過(guò)炭床后， 每單位重量的活性炭吸附的丁烷的量。954攝氏度日才然燒3954攝氏度日才然燒3個(gè)小時(shí)的剩余殘?jiān)?。從技術(shù)角度看，灰分是活性炭礦物氧化物的組分。 通常定義為在一定量的樣品被氧化后的重量百分比。水分水分是測(cè)量碳所含水的多少。用 Dean-Starktrap和冷凝器，在二甲苯溶液中煮沸活性炭來(lái)測(cè)量水分。為了測(cè)試水分，水被冷凝和截留在待測(cè)定臂狀容器內(nèi)。 活性炭的水含量也可以通過(guò)在150攝氏度下烘干3小時(shí)后活性炭重量上改變來(lái)測(cè)定。水分是活性炭中被吸附的水的重量的百分比。對(duì)于不同用途的活性炭，時(shí)常用不同的物質(zhì)和方法來(lái)檢驗(yàn)它的吸附性能， 如亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎寧吸附值等。其中亞甲基藍(lán)吸附值是最常用的。亞甲基藍(lán)是一種深藍(lán)色染料，對(duì)它的吸附量反映了活性炭吸附小分子物質(zhì)的能力； 具有大量微孔的活性炭，此值較高。焦糖吸附值（或稱(chēng)焦糖脫色率、或糖蜜吸附率 ）是反映活性炭對(duì)具有較高分子量的有色物質(zhì)的吸附性能，性能良好的活性炭，此值達(dá)到100?110。國(guó)內(nèi)外制造的活性炭，都有一類(lèi)稱(chēng)為“糖用活性炭”的產(chǎn)品，它可用于糖廠，也可以用在其他類(lèi)似的行業(yè)，如葡萄糖溶液及味精溶液的精制脫色等。它的主要特點(diǎn)是具有較多的中孔，因而適于處理含有較多大分子有機(jī)物的溶液。這種活性炭的焦糖吸附值比較高。我國(guó)“糖液脫色用活性炭”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) （GB/T13803.3—1999）規(guī)定，活性炭產(chǎn)品分為優(yōu)級(jí)品、一級(jí)品和二級(jí)品三種。其水分都低于 10%;焦糖脫色率分別高于 100、90和80,灰分分別低于3%、4%和5%（用磷酸法生產(chǎn)的活性炭可在 7%?9%,不分等級(jí)），酸溶物分另低于1%、1.5%和2%,還有鐵含量和氯含量的規(guī)定。它們的pH值都在3?5之間?；钚蕴康谋缺砻娣e（BET）反映了每一克活性炭的總表面積的數(shù)值 m2。它是用氮?dú)饣蚨⊥槲椒y(cè)出的。此值越大，活性炭的微孔越多，能夠吸附更多的小分子物質(zhì)。 對(duì)于同一類(lèi)的有機(jī)物，分子量較大者，被吸附較強(qiáng)；但這以它的分子能夠進(jìn)入活性炭的吸附孔為前提。 當(dāng)需要吸附的物質(zhì)的分子量較高、分子尺寸較大時(shí)，就要選用有較多中孔的活性炭。最理想的活性炭是具有大量恰好稍大于吸附物分子的孔道， 如果孔道過(guò)大，總表面積就減少。分子量在300?100000之間的物質(zhì)，相應(yīng)的吸附孔徑在0.5?4nm之間?；钚蕴烤哂蟹枷悱h(huán)式的結(jié)構(gòu)，善于吸附芳香族有機(jī)物 （糖汁中的有色物大部分屬于這類(lèi)），并善于吸附含有三個(gè)碳原子以上的其他有機(jī)物。 它對(duì)不帶電物質(zhì)的吸附力較強(qiáng)， 而對(duì)帶電物質(zhì)（如陰離子）的吸附較弱。對(duì)后者的吸附與溶液 pH值有關(guān)：在酸性溶液中吸附較強(qiáng)，堿性溶液中較弱。因?yàn)槿跛嵝晕镔|(zhì)在低 pH下帶電較少以至不帶電，較易被吸附；高pH下電荷較強(qiáng)，不利于吸附。為避免蔗糖轉(zhuǎn)化， 糖液用活性炭處理一般在中性下進(jìn)行。 活性炭對(duì)無(wú)機(jī)離子的吸附作用很弱，但用磷酸作活化劑的活性炭， 及經(jīng)過(guò)適當(dāng)竣基化處理的活性炭， 也能吸附少量的金屬離子?；钚蕴康奈阶饔煤蜏囟扔嘘P(guān)。對(duì)于多數(shù)的物理吸附作用，在低溫下能夠達(dá)到較大的吸附量，但吸附的速度較慢。在糖廠使用的多數(shù)情況下，活性炭和糖液接觸的時(shí)間不長(zhǎng)， 故要求吸附進(jìn)行得較快，就常用較高的溫度，例如70?85C。在這個(gè)溫度下，一般經(jīng)過(guò)15?30分鐘（主要決定于糖液濃度），活性炭的吸附作用就接近其最大值?；钚蕴康拿撋Чc它的品種和處理的具體條件有極大的關(guān)系。 在生產(chǎn)應(yīng)用前要先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，選擇適宜的活性炭品種和適當(dāng)?shù)氖褂梅椒ㄅc技術(shù)條件。粉狀活性炭的粒子大小是不均勻的， 有些很微細(xì)的粒子可能穿過(guò)濾布。 因此要選用適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾方法，必要時(shí)可以并用助濾劑如硅藻土，將它們和活性炭加入糖液中攪拌適當(dāng)時(shí)間后過(guò)濾。過(guò)濾機(jī)中形成的活性炭濾餅，可以調(diào)制成粉漿后加入深色的糖液中再用一次。顆粒活性炭通常采用固定床吸附方式， 即將顆粒活性炭裝入圓筒形吸附柱中， 糖液從上而下連續(xù)通過(guò)，與大量活性炭接觸，在底部出口處達(dá)到很高的脫色率。 這種方法利于充分發(fā)揮活

性炭的效能。近年又開(kāi)發(fā)了新的連續(xù)的移動(dòng)床系統(tǒng)。 活性炭的再生一般是在洗糖后放入再生爐中高溫加熱，將吸附的有機(jī)物分解，亦可以用堿處理再生。飲用水處理中活性炭種類(lèi)選擇的方法探討飲用水處理中活性炭種類(lèi)選擇的方法探討王廣智飲用水處理中活性炭種類(lèi)選擇的方法探討王廣智摘要：本文通過(guò)分析常用的幾種活性炭評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)，綜合各個(gè)方法的利弊，提出了選擇飲用水中活性炭的具體方案，根據(jù)該方案篩選出了適應(yīng)某市水質(zhì)條件的活性炭種類(lèi)。并運(yùn)用通過(guò)活性炭性能指標(biāo)和活性炭運(yùn)行效果的數(shù)學(xué)分析，確定了在飲用水處理中活性炭的主要性能指標(biāo)及其推薦值，供各水廠在選用活性炭時(shí)參考。關(guān)鍵詞：飲用水；活性炭；炭種選擇；評(píng)價(jià)方法近年來(lái)，隨著飲用水水源污染的日益嚴(yán)重，為了克服常規(guī)工藝的不足，滿(mǎn)足不斷提高的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推廣應(yīng)用以活性炭技術(shù)為核心的飲用水深度處理工藝，越來(lái)越有必要。但是在飲用水處理中使用的活性炭，因?yàn)槠贩N繁多，性能不一，用途各異，彳格昂貴，而所處理水質(zhì)各不相同，這就使得許多水廠在選用活性炭上存在盲目性，可能會(huì)因選型不適而出現(xiàn)活性炭使用周期縮短，更換頻繁，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用巨大的現(xiàn)象 [2],所以用于飲用水處理的活性炭的選定 ，就顯得尤為重要。在活性炭選擇中，重要的是如何對(duì)活性炭性能進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，從而選擇出適用水源水質(zhì)的活性炭。目前各類(lèi)表征活性炭性能的方式有很多，例如活性炭性能指標(biāo)，活性炭表面的性狀分析，活性炭靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)（柱子試驗(yàn)）等等。本文分析了常見(jiàn)的幾種活性炭性能評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)，提出了聯(lián)合應(yīng)用幾種方法，從不同角度對(duì)活性炭性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的活性炭選擇方案。根據(jù)該選炭方案，針對(duì)某市的水源特點(diǎn)，確定了適合水源水質(zhì)的活性炭種類(lèi)。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析手段，確定了影響活性炭應(yīng)用的主要性能指標(biāo)及其推薦值，以供各水廠在選用活性炭時(shí)參考。.活性炭篩選方案確定在水處理中，評(píng)價(jià)活性炭各種性能的方法有很多，常用評(píng)價(jià)方法的主要特征，見(jiàn)下表。表1常用活性炭評(píng)價(jià)方法的主要特征評(píng)價(jià)方法表征對(duì)象主要特點(diǎn)性能指標(biāo)活性炭各種特定性能活性炭性能指標(biāo)種類(lèi)較多，各單項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、 標(biāo)準(zhǔn)化，但各單項(xiàng)指標(biāo)由于針對(duì)性不同，因此依靠其選擇時(shí)經(jīng)常與實(shí)際使用效果有很大出入表面性狀分析化學(xué)分析表面化學(xué)特征根據(jù)活性炭表面各種官能團(tuán)的組成和含量， 推測(cè)活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附特征， 分析方法復(fù)雜,對(duì)官能團(tuán)的精確分析十分困難物理分析（電鏡） 表面物理特征簡(jiǎn)單易行，可直觀、定性或定量的分析活性炭表面特征，確定活性炭性能的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確選用活性炭的目的靜態(tài)吸附試驗(yàn)活性炭吸附能力簡(jiǎn)單、速度快、試驗(yàn)費(fèi)用低廉、應(yīng)用范圍廣，但是其針對(duì)性也較差，與實(shí)際運(yùn)行效果常有較大差別吸附能力評(píng)價(jià)活性炭吸附能力該方法較為簡(jiǎn)單，時(shí)間消耗短，針對(duì)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的指標(biāo)化，且具有一定準(zhǔn)確性動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)全面評(píng)價(jià)活性炭?jī)羲阅?真實(shí)反映活性炭在實(shí)際應(yīng)用的效果和使用壽命，實(shí)現(xiàn)了選擇即有效又經(jīng)濟(jì)活性炭種類(lèi)的目的，但是試驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，因此不能廣泛應(yīng)用，只在較大型工程時(shí)應(yīng)用該方法綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)全面評(píng)價(jià)活性炭各種性能 能夠包含影響活性炭實(shí)際使用效果的多種因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)活性炭全面而定量的評(píng)價(jià)，但影響因素和條件多種多樣，實(shí)現(xiàn)十分困難活性炭的各種性能評(píng)價(jià)方法只是從不同的方面對(duì)活性炭的性能進(jìn)行了表征，都各具有局限性，因此可以綜合以上幾種方法，建立完善的活性炭篩選方法，其主要過(guò)程為：首先要根據(jù)活性炭生產(chǎn)的煤質(zhì)、地域和生產(chǎn)工藝等的不同，從國(guó)內(nèi)外的大型活性炭生產(chǎn)企業(yè)中選擇出備選炭種，然后從幾個(gè)方面著手，即活性炭性能指標(biāo)分析、電鏡微觀觀察、靜態(tài)吸附試驗(yàn)、吸附能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以及活性炭動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)等，從不同的角度全面評(píng)價(jià)活性炭炭種的優(yōu)劣，從而篩選出一至兩種活性炭種進(jìn)行工程應(yīng)用。具體見(jiàn)下圖生產(chǎn)分析控制

煤質(zhì)微觀表面性狀地域服務(wù)動(dòng)態(tài)吸附量化生產(chǎn)工藝相似實(shí)際運(yùn)行指導(dǎo)分析確定圖1活性炭篩選方案活性炭選擇的重點(diǎn)，是從不同角度對(duì)備選炭種的性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，其中活性炭性能指標(biāo)分析試驗(yàn)，主要是從活性炭實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā)，選取影響粒狀活性炭效果和成本的主要性質(zhì)，尤其是大量應(yīng)用時(shí)的主要指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，以指導(dǎo)活性炭實(shí)際生產(chǎn)中的分析和控制；電鏡微觀觀察試驗(yàn)，主要是從微觀角度，分析研究活性炭作為吸附劑和微生物載體的固體表面性狀；吸附能力評(píng)價(jià)試驗(yàn),主要是將活性炭的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行相似化，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程的指標(biāo)化，從而評(píng)價(jià)活性炭種的性能優(yōu)劣；活性炭的動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，是為了克服靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程的運(yùn)行效果差別較大的弊端，而進(jìn)行活性炭較長(zhǎng)期的運(yùn)行考察，從而判斷幾種活性炭種的實(shí)際運(yùn)行效果優(yōu)劣。這幾個(gè)方面的試驗(yàn)，相互配合，能夠較為全面的評(píng)價(jià)出活性炭種各種性能的優(yōu)劣，達(dá)到確定最適用活性炭種的目的.活性炭篩選試驗(yàn)根據(jù)以上試驗(yàn)方案，針對(duì)某市的水源水質(zhì)進(jìn)行了活性炭的篩選。根據(jù)煤質(zhì)活性炭生產(chǎn)工藝和地域差異，共選取了一種破碎炭和四種柱狀炭進(jìn)行試驗(yàn)，依次編號(hào)為 A、B、C、D、E(1)活性炭性能指標(biāo)分析在飲用水處理中，影響活性炭處理效果和運(yùn)行成本的主要性能指標(biāo)為：吸附量(主要為碘值、亞甲藍(lán)值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值、單寧酸值)、強(qiáng)度和摩擦系數(shù),pH值、灰分、粒徑大小和粒度分布、水分和可溶物等。試驗(yàn)中對(duì)這些性能指標(biāo)分別進(jìn)行了蜜值、單寧酸值)、強(qiáng)度和摩擦系數(shù),檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)下表表2活性炭指標(biāo)測(cè)定值項(xiàng)目指標(biāo)單位ABCDE破碎柱狀柱狀柱狀柱狀

摩擦系數(shù)wt%83.589.385.590.288.9強(qiáng)度wt%95.499.597.999.798.4表觀密度g/l510520500520540飄浮率wt%0.01.40.00.00.0pH值--8.69.28.99.18.9總灰分wt%9.17.211.88.710.5水溶物wt%0.050.090.080.030.06碘值mg/g1001997938958860亞甲蘭值mg/g262259227256207丁烷值wt%24.224.223.423.720.3四氯化碳wt%62.1962.1960.1460.9152.17糖蜜值158153152148145單寧酸值-34.330.033.246.561.3粒度分布>2.500.10.00.10.01.25-2.503.894.796.794.797.31.00-1.2565.34.712.304.42.0<1.0030.830.500.940.90.7有效粒徑mm0.601.441.481.441.49均勻系數(shù)-1.881.121.151.151.15平均粒徑mm1.0681.5851.6521.6181.668從表中可以看出，就炭的吸附性能來(lái)說(shuō),A炭的碘值、亞甲蘭值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值都高于柱狀炭，達(dá)到或接近國(guó)家優(yōu)

從表中可以看出，就炭的吸附性能來(lái)說(shuō),級(jí)活性炭的標(biāo)準(zhǔn)，且單寧酸值也較低，反映出A炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，微孔、中孔及大孔的比例合理;級(jí)活性炭的標(biāo)準(zhǔn)，且單寧酸值也較低，反映出A炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，微孔、中孔及大孔的比例合理;B炭的碘值、亞甲蘭值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值是除破碎炭外最高的，單寧酸值也是最低的，反映出 B炭活化過(guò)程控制較好，不僅具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，炭強(qiáng)度也很好；C炭的碘值、亞甲蘭值、丁烷值、四氯化碳值雖然不是很高，但糖蜜值卻很高，單寧酸值也很低，反映出該炭的孔隙結(jié)構(gòu)中，中孔和過(guò)渡孔所占比例高，微孔相對(duì)較少； D炭糖蜜值低，單寧酸值高，與B、C炭差距明顯，顯示出D炭微孔所占比例高，中孔和過(guò)渡孔少，但微孔量少于 B炭；E炭的碘值僅為860mg/g,只能滿(mǎn)足合格品的要求，且亞甲蘭值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值都是最低的，單寧酸值也是較高的，反映出 E炭的活化程度不高，孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，吸附性能較差。從表中還可以看出，破碎炭的強(qiáng)度要普遍低于柱狀炭。 破碎炭A的強(qiáng)度和摩擦系數(shù)均低于柱狀炭。 D炭和B炭強(qiáng)度和摩擦系數(shù)相近，均高于E炭和C炭，顯示其機(jī)械性能良好。 E炭和C炭機(jī)械性能一般。其余各項(xiàng)指標(biāo)，粒徑和粒度分布因?yàn)槲锢硇誀畹脑虿顒e明顯，破碎炭A的粒徑明顯小于柱狀炭，均一系數(shù)大于柱狀炭，在應(yīng)用中雖然效果好，但也帶來(lái)床層壓降大，床層膨脹小，造成炭量損失和能量損失，影響了營(yíng)運(yùn)成本。除此外，其余的各項(xiàng)指標(biāo)差別較小，均在國(guó)標(biāo)允許的范圍之內(nèi)。(2)電鏡觀察試驗(yàn)掃描電鏡和原子力顯微鏡是常用的兩種活性炭表觀物理性狀研究方法， 試驗(yàn)中對(duì)五種活性炭進(jìn)行了電鏡觀察試驗(yàn)， 所用電鏡型號(hào)為：日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電鏡和島津公司生產(chǎn)的 SPM-9500J3原子力顯微鏡。①掃描電鏡掃描電鏡全稱(chēng)為掃描電子顯微鏡，利用掃描電鏡，可以直觀的分析出活性炭的成炭顆粒大小、顆粒結(jié)合程度、孔洞分布情況、粗糙程度等物理特征。五種炭的掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)下圖。A炭B炭C炭D炭E炭圖2五種活性炭掃描電鏡照片(X1000)對(duì)比以上圖片，可以分析出五種不同活性炭的表觀物理特征，具體分析結(jié)果見(jiàn)下表

表3五種活性炭的表觀特征

炭種表觀特征A成炭顆粒均在10um以下，炭粒細(xì)小均勻，其中以2-3um左右的炭粒占多數(shù)，炭粒間結(jié)合蓬松，炭表面粗糙，孔洞數(shù)量多，大孔、中孔、微孔分布廣泛B成炭顆粒較小，以5um左右炭粒居多，10um以上的炭粒亦可見(jiàn)，炭粒分布較均勻，炭粒間粘合緊密，表面粘合劑清晰可見(jiàn)，炭表面粗糙，孔洞數(shù)量較多，并且微孔、中孔、大孔的分布合理C成炭顆粒存在較多1um以下的炭粉，炭粒間粘合不緊密，表面粗糙，孔洞分布中 1um以下的大孔和中孔數(shù)量多，微孔相對(duì)較低D成炭顆粒絕大部分在10um以下，以5um左右炭粒為主，炭粒分布均勻。炭粒粘合非常緊密，表面粗糙度較低，大孔和中孔數(shù)量少E成炭顆粒大小不均，10um以上的炭粒較多，并存在幾十 um以上的大炭粒，炭粒間粘合不夠緊密，炭的孔洞數(shù)量少，吸附能力不強(qiáng)②原子力顯微鏡與掃描電鏡不同的是，原子力顯微鏡可以定量的表征出活性炭表面高低起伏的性狀，從而能夠直接反應(yīng)活性炭表面粗糙程度，特別是在活性炭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行形成生物活性炭時(shí)，該方法可以微觀的顯示出活性炭表面性狀對(duì)生物生長(zhǎng)的適用性，因此對(duì)評(píng)價(jià)活性炭的性質(zhì)具有重要的作用7x7um的F7x7um的微觀區(qū)域進(jìn)行了性狀分析。 顯微鏡掃描照片是活性炭表面高度的三維立體圖， 立體圖右邊是反映活性炭表面高度起伏變化的柱狀圖圖3四種炭原子力顯微鏡掃描照片從圖中可以看出，B和C的表面存在有較多的凸起，尤其是 C炭凸起的數(shù)量最多，凸起能夠增加炭表面的粗糙程度，使得兩炭的表面粗糙程度相對(duì)較高； D炭的表面雖然也有相類(lèi)似的較高凸起，但該凸起長(zhǎng)度達(dá) 6um,且凸起物表面平滑，因此對(duì)炭表面粗糙度造成的影響較小，該炭的粗糙程度相對(duì)較低；與 D炭相類(lèi)似，E炭表面也是以高度大、體積大、表面光滑的凸起為主，因此炭表面粗糙程度也低?；钚蕴勘砻娴拇植诙龋貏e是微觀凸起造成的粗糙度，對(duì)生物活性炭的形成過(guò)程有著重要影響。微生物在活性炭表面的生存和生物掛膜，主要的影響因素是：活性炭的物理和化學(xué)吸附作用、微生物自身分泌黏液的粘附作用、活性炭作為固體濾料的攔截保護(hù)作用?；钚蕴勘砻娴拇植诙葘?duì)以上三種作用都有重要影響，因此能影響到微生物的生長(zhǎng)和生物膜的形成。根據(jù)以前生物活性炭技術(shù)的研究表明，應(yīng)用于微污染水源水處理的生物活性炭，由于水中有機(jī)物很低，屬于貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，因此生長(zhǎng)在生物活性炭表面的微生物是以長(zhǎng)1-3um的桿菌為主，而且所形成生物膜也是破裂分散的，可以認(rèn)為在活性炭表面所存在的 1um以上凸起對(duì)微生物的生長(zhǎng)是有益的。凸起峰越多，則越有利于活性炭對(duì)水中有機(jī)物吸附，越有利于微生物的生長(zhǎng)和微生物膜形成。生物活性炭去除有機(jī)物的作用，在運(yùn)行初期是以活性炭吸附作用為主，但隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，微生物大量滋生并形成生物膜后，則微生物對(duì)有機(jī)物的生物吸附降解將起到主導(dǎo)作用。因此活性炭是否有利于微生物生長(zhǎng)和生物膜的形成，在選擇活性炭種時(shí)重要的考慮因素。從原子力顯微鏡的照片中看出， B和C存在較多的凸起峰，尤其以 C炭最多，有利于微生物生長(zhǎng)和生物膜的形成，因此可以預(yù)見(jiàn)在形成生物活性炭后， B和C會(huì)有較好的運(yùn)行效果。(3)活性炭吸附能力評(píng)價(jià)活性炭吸附能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)，采用內(nèi)徑 25mm，總?cè)莘e200ml的有機(jī)玻璃炭柱完成的，具體過(guò)程為：炭樣體積100ml,經(jīng)煮沸后填充，進(jìn)水流量參照40?200L/min/m2 ,取100L/min/m2,計(jì)算流量為50ml/min,每小時(shí)取樣檢測(cè)指標(biāo)為 UV254,取樣點(diǎn)為進(jìn)水和各柱出水，繪制出活性炭隨時(shí)間變化吸附去除 UV254的工作曲線。利用活性炭吸附UV254的工作曲線，進(jìn)行分段積分，得出積分和INTE,然后利用公式，計(jì)算出單位重量活性炭吸附有機(jī)物的能力，完成活性炭工作能力的評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式如下:說(shuō)明：EVA—每克活性炭的工作能力(以UV254X水量計(jì))，單位為l(UV254)/gINTE—工作曲線的分段積分和。W—所取活性炭的重量，單位 go下表是根據(jù)這種方法，對(duì)五種不同活性炭進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果。表4五種活性炭EVA計(jì)算值炭種ABCDEEVAl(UV254)/g)0.07330.04540.04550.04150.0397排序14356由評(píng)價(jià)指標(biāo)EVA值，可以看出五種活性炭的工作能力，以炭A最好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他幾種炭；炭F雖然工作能力仍比柱狀炭好，但與炭A相比差距明顯，只及炭A的89%。四種柱狀炭中，B和C最好，兩者工作能力非常相似，幾近相等， D與B、C相比差距明顯，因此工作能力不強(qiáng)； E炭工作能力最差，而且是差距很明顯。從結(jié)果可以看出， EVA值計(jì)算結(jié)果與前面的試驗(yàn)結(jié)論是一致的，表明該值具有較高的準(zhǔn)確性。(4)活性炭動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)活性炭的動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)是在五個(gè)平行的有機(jī)玻璃凈水柱完成的，柱內(nèi)徑 100mm,高3000mm。柱內(nèi)裝填承托層150mm,石英砂200mm,活性炭1500mm各柱運(yùn)行條件均相同，空床濾速 4.5m/h,過(guò)水流量0.6l/min,接觸時(shí)間20min。運(yùn)行時(shí)上部進(jìn)水、下部出水，重力自流?；钚蕴恐策\(yùn)行 6個(gè)月，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表:表5五種活性炭?jī)羲Чy(tǒng)計(jì)表ABCDE濁度降低值（NTU）最大值0.1620.1460.1610.1520.152平均值0.0840.0690.0660.0580.059最小值0.015-0.004-0.024-0.016-0.020UV254去除率（％） 最大值95.786.410065.272.7平均值59.448.156.639.740.2最小值17.516.317.515.016.3CODMn去除率（％） 最大值74.264.771.256.664.2平均值43.036.341.632.233.8最小值18.715.317.311.913.0從表中可以看出， 破碎炭A在控制濁度方面表現(xiàn)出明顯的效果， 在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)濁度降低值較大；柱狀炭B和C對(duì)濁度的控制效果也較好，比D炭和E炭的效果明顯。從去除有機(jī)物方面來(lái)看，破碎炭A效果仍然最好，柱狀炭中 C炭的效果最好，與破碎炭A差別不大，這說(shuō)明 C炭對(duì)水源水質(zhì)適應(yīng)性較好，炭表面的微生物數(shù)量和活性較好；其次為 B炭，D炭和E炭與上面三個(gè)炭差距明顯。這個(gè)結(jié)果與其他試驗(yàn)結(jié)果也是相一致的。 不論什么炭質(zhì)，活性炭對(duì)有機(jī)物都有較好的去除效果， 對(duì)UV254的平均去除率在40%以上，對(duì)CODMn的平均去除率也在30%以上，并且一直都能將 CODMn控制2.0mg/l以下，這顯示出活性炭對(duì)有機(jī)物吸附去除的高效性。（5）最優(yōu)活性炭種的確定根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，破碎炭 A與柱狀炭相比，在降低濁度、去除有機(jī)物方面都表現(xiàn)出了顯著的效果，這與破碎炭的結(jié)構(gòu)特性有著直接的關(guān)系，但是此類(lèi)破碎炭在生產(chǎn)上成本較高，水廠的購(gòu)買(mǎi)成本相應(yīng)的也增高，而且由于其物理性能決定的，在水廠的實(shí)際運(yùn)行中，也帶來(lái)了床層壓降增大，床層膨脹減小，造成炭量損失和能量損失，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行成本產(chǎn)生了重要影響，使得營(yíng)運(yùn)成本顯著增加，因此在相同運(yùn)行效果的情況下， 成本較高是制約其進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素。 與破碎炭A相比，柱狀炭B和C,特別是C炭,其實(shí)際運(yùn)行效果很好，與破碎炭 A的效果差別不大，充分顯示了其對(duì)水源水質(zhì)的適應(yīng)性，其物理性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)原子力顯微鏡試驗(yàn)，其對(duì)微生物適應(yīng)性很好， 同時(shí)，柱狀炭的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)成本與破碎炭 A相比又能大幅下降，因此針對(duì)水源水質(zhì),C炭是推薦應(yīng)用的炭種。4.活性炭主要性能指標(biāo)的確定(1)活性炭性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果相關(guān)分析對(duì)活性炭性能指標(biāo)與活性炭動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果，以相關(guān)系數(shù)表征兩者之間存在的聯(lián)系。下表列舉了不同性能指標(biāo)，和代表活性炭運(yùn)行效果的濁度、UV254、CODMn的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果。表6活性炭性能指標(biāo)與活性炭運(yùn)行效果相關(guān)性計(jì)算結(jié)果修正摩擦系數(shù)強(qiáng)度pH值總灰分水溶物碘值亞甲蘭值濁度降低-0.78095-0.78516-0.60115-0.249190.2012940.691970.547415UV254去除-0.90522-0.74563-0.586350.1836110.3988170.5518630.301715CODMn去除-0.94309-0.79101-0.662950.3229640.3779610.422550.16634續(xù)上表四氯化碳丁烷值糖蜜值單寧酸值有效粒徑均勻系數(shù)平均粒徑濁度降低0.5542640.5546480.945102-0.65041-0.86930.84727-0.89189UV254去除0.5450120.5451070.890054-0.76551-0.623960.624792-0.63306CODMn去除0.4247940.4248560.820696-0.66772-0.604590.6189-0.60287從上表可以看出，對(duì)活性炭炭運(yùn)行效果影響最大的性能指標(biāo)為糖蜜值、修正摩擦系數(shù)、強(qiáng)度，其次有影響的指標(biāo)為單寧酸值、平均粒徑、有效粒徑、均勻系數(shù)、 pH值、碘值、四氯化碳值和丁烷值。在這些指標(biāo)中，活性炭的物理機(jī)械性能是由其煤質(zhì)和生產(chǎn)工藝所決定的，因此實(shí)際生產(chǎn)中只能對(duì)粒徑和粒度分布進(jìn)行控制，滿(mǎn)足用戶(hù)需要，而摩擦系數(shù)、強(qiáng)度和 pH值是與煤質(zhì)相關(guān)聯(lián)的，不便進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)控；而活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)是由生產(chǎn)中活化條件控制的，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，因此對(duì)實(shí)際生產(chǎn)最有指導(dǎo)意義的活性炭指標(biāo)為糖蜜值和單寧酸值，這兩個(gè)指標(biāo)反映的是活性炭孔隙結(jié)構(gòu)中大孔和中孔的數(shù)量，是活性炭對(duì)水中天然大分子有機(jī)物適宜的量度。由于在活性炭指標(biāo)之間也存在著相互影響，使得相關(guān)分析會(huì)存在著偏差，有時(shí)候會(huì)使主要因子的影響顯現(xiàn)不出來(lái)。下面進(jìn)行活性炭運(yùn)行效果與性能指標(biāo)的協(xié)相關(guān)分析，用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。(2)活性炭性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果協(xié)相關(guān)分析協(xié)相關(guān)分析的主要過(guò)程是，通過(guò)逐項(xiàng)剔除各個(gè)性能指標(biāo)影響后， 計(jì)算的活性炭性能指標(biāo)和運(yùn)行效果的協(xié)相關(guān)系數(shù)， 然后將計(jì)算結(jié)果,與初始的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其改變量，從而考查各個(gè)性能指標(biāo)對(duì)運(yùn)行效果的影響程度。下表是協(xié)相關(guān)分析的最終結(jié)果。表7活性炭性能指標(biāo)與活性炭運(yùn)行效果協(xié)相關(guān)計(jì)算結(jié)果活性炭性能指標(biāo)綜合位次濁度降低UV254去除CODMn去除改變量位次改變量位次改變量位次修正摩擦系數(shù)33.72881999.008773310.826441強(qiáng)度24.67789369.42025929.9576332pH值82.518004105.68493756.511215總灰分41.747506131.816151142.58123514水溶物21.566224143.432379113.02283512碘值76.51386735.40856784.8694818亞甲蘭值132.045423122.284665132.64160813四氯化碳值113.77012783.066107123.12821411丁烷值94.87803654.154306103.97482110糖蜜值17.390415110.9778319.9238263單寧酸值102.214169115.28126394.6435969有效粒徑64.95160545.559465.4408276土勻勻系數(shù)43.96266876.53710246.6928564平均粒徑56.60957425.49423675.0831327從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在控制活性炭出水濁度降低方面，糖蜜值、平均粒徑、碘值、有效粒徑和丁烷值是主要的影響因素，與前一階段的結(jié)論不同的是，碘值和丁烷值的影響得到了體現(xiàn)；在去除以UV254和CODMn為代表的有機(jī)物方面， 主要的影響因素為糖蜜值、pH值、均勻系數(shù)、修正摩擦系數(shù)和強(qiáng)度，與前一階段相比， pH值、有效粒徑的影響得到了強(qiáng)化。（3）主要性能指標(biāo)推薦值根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，可將活性炭的性能指標(biāo)分為三類(lèi)：首要控制指標(biāo)（即針對(duì)水源水質(zhì)特點(diǎn)的主要影響因素）、重要控制指標(biāo)（即對(duì)實(shí)際運(yùn)行效果起重要作用的因素）和控制指標(biāo)（即對(duì)實(shí)際運(yùn)行效果影響較小的因素，只要能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即可）。①首要控制指標(biāo)糖蜜值和單寧酸值：從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，糖蜜值和單寧酸值對(duì)活性炭的實(shí)際運(yùn)行效果有著顯著的影響，因此選擇活性炭種時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制。糖蜜值是以大分子量的焦糖作為吸附質(zhì)，活性炭作為吸附劑來(lái)測(cè)定的，它主要表征了活性炭對(duì)大分子有機(jī)物，特別是水源中的高分子量有機(jī)物的去除能力。由于焦糖分子量較大，因此難以進(jìn)入活性炭的微孔結(jié)構(gòu)中，只是被活性炭的大孔、中孔等吸附，因此可以反映出活性炭孔隙結(jié)構(gòu)中大孔、中孔的比例。單寧酸（分子量為 322）值表示吸附有機(jī)分子能力的指標(biāo)，它是在濃度一定的單寧酸溶液中，加入活性炭的量使單寧酸溶液濃度低于某個(gè)確定值所需要活性炭的量，因此，此值越低表示活性炭吸附性能越好。如果只是從分子大小上看，單寧酸值應(yīng)該與亞甲蘭值的大小相似，反映活性炭吸附能力也應(yīng)該相似，但實(shí)際情況并非如此，單寧酸的性質(zhì)與天然有機(jī)物（NOM）中的代表物質(zhì)腐殖酸十分相近，活性炭對(duì)單寧酸的吸附特性與腐殖酸相類(lèi)似，因此可以代表水中由腐爛植物所產(chǎn)生的有機(jī)物，表征活性炭對(duì)天然有機(jī)物的吸附能力。飲用水水源的地表水，其天然有機(jī)物的含量占有絕大部分比例，因此活性炭的大孔和中孔結(jié)構(gòu)是影響活性炭處理效果的主要因素。而糖蜜值和單寧酸值，兩指標(biāo)相互配合，能夠很好的判斷出活性炭孔隙結(jié)構(gòu)中大孔、中孔的比例，較好的反映出活性炭對(duì)天然大分子有機(jī)物的去除能力。但目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)兩值未作明確規(guī)定，從性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果來(lái)看，運(yùn)行好的三種炭糖蜜值都在 150以上，單寧酸值在50以下，因此綜合試驗(yàn)結(jié)果，建議糖蜜值標(biāo)準(zhǔn)定為為>150,單寧酸值V50。強(qiáng)度和摩擦系數(shù)：在飲用水的深度處理中，對(duì)炭后出水濁度控制很?chē)?yán)格，即要求在砂濾池出水濁度的基礎(chǔ)上不再升高。因?yàn)樵诹罨钚蕴繉?shí)際應(yīng)用中，要考慮其在運(yùn)輸、反沖洗和再生時(shí)活性炭的破損情況，主要有三種力可使活性炭機(jī)械破裂而形成粉塵，造成出水濁度升高，即沖擊力、積壓力和磨損力，強(qiáng)度和摩擦系數(shù)便分別代表了沖擊積壓力和摩損力，反映出活性炭的耐破損能力，因此強(qiáng)度和摩擦系數(shù)作為選擇活性炭的首要控制指標(biāo)，要盡量選取高強(qiáng)度和摩擦系數(shù)的活性炭。如果強(qiáng)度低，則炭的結(jié)構(gòu)疏松，在反沖洗時(shí)，炭粒易脫落，由于微生物能附著在炭粒表面，會(huì)造成出水的生物安全性問(wèn)題?；钚蕴康膹?qiáng)度和摩擦系數(shù)也直接影響到活性炭的使用壽命，國(guó)標(biāo)對(duì)兩值作出明確規(guī)定，但從幾種炭實(shí)際測(cè)定結(jié)果來(lái)看，將該強(qiáng)度定位值定為A 90%,摩擦系數(shù)V90%是比較合適的。②重要控制指標(biāo)碘值：從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，它與活性炭運(yùn)行效果有關(guān)，但是相關(guān)性不太明顯。碘值與活性炭對(duì)小分子物質(zhì)的吸附能力密切相關(guān)?，F(xiàn)行的活性炭檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB方法以及一些權(quán)威機(jī)構(gòu)（如AWWA）的方法中，均將活性炭樣品粉碎至能通過(guò) 200目篩，這樣能將活性炭孔隙盡可能暴露出來(lái)，從而達(dá)到最大的碘吸附值。它可以用于估算活性炭的比表面積，和相對(duì)表征活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于以碘（分子量為254）為代表的分子量大約 250左右、非極性和分子對(duì)稱(chēng)的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，碘值可以表征活性炭對(duì)這部分物質(zhì)的吸附能力。碘值作為常用的活性炭質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)也是必須進(jìn)行控制的。綜合考慮將碘值設(shè)定為R 900mg/g。丁烷值和四氯化碳值：這兩值在活性炭對(duì)有機(jī)物去除效果也存在著相關(guān)性。丁烷值與四氯化碳值存在著很好的相關(guān)性，美國(guó) ASTM標(biāo)準(zhǔn)中顯示：四氯化碳活性= 2.57X丁烷活性，R2=0.934（均按照ASTM-D5228-92）。兩值可表征出活性炭樣品的微孔容積，是活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的量度值，常表征活性炭的活化程度。兩值對(duì)表征活性炭對(duì)小分子量、非極性有機(jī)物去處能力，具有重要意義。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有規(guī)定這兩值的大小。根據(jù) ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法的檢測(cè)結(jié)果，可將丁烷值標(biāo)準(zhǔn)定為R 20%,四氯化碳值定為R60%。有效粒徑、平均粒徑與均勻系數(shù)：這三項(xiàng)指標(biāo)是活性炭物理性質(zhì)的重要表征，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，與實(shí)際的運(yùn)行效果均具有較好的相關(guān)性，特別是對(duì)濁度的控制作用明顯。由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)此值作規(guī)定，綜合試驗(yàn)結(jié)果，推薦有效粒徑在 1?1.5mm,平均粒徑在1.5?2.0mm,

在AWWA標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)均勻系數(shù)規(guī)定為V2.1,考慮到實(shí)際的影響，將均勻系數(shù)設(shè)定為V 2.0。pH值：從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看， pH值也與實(shí)際運(yùn)行效果存在相關(guān)性。 pH值是活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的重要表征。在活性炭活化過(guò)程中，活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧和其它雜原子吸著在這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附特性。對(duì)活性炭性質(zhì)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)基團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)（竣基、酸酊、脂基、瑛基等）和含氮官能團(tuán)（氨基、酰亞胺等）。這些官能團(tuán)的存在使得活性炭表現(xiàn)出兩性性質(zhì)，甚至?xí)щ姟Ｈ绻@些帶電基團(tuán)在活性炭表面分布均勻，那么在表面曲率不同的部位，電荷密度是不同的，微生物生長(zhǎng)可能會(huì)選擇它能夠忍受的電場(chǎng)強(qiáng)度處“居住”?；钚蕴康谋砻婊瘜W(xué)性質(zhì)對(duì)其吸附性能起到重要作用，表面酸性被認(rèn)為是控制吸附的重要因素，增加表面酸性，或者說(shuō)增加極性的氧分子或含氧官能團(tuán)的數(shù)量可增加活性炭的表面極性，從而有利于其對(duì)水分子的吸附。對(duì)水分子的吸附有可能因占據(jù)活性炭孔而降低了活性炭對(duì)疏水性化合物的吸附。 NOM為中性條件下帶負(fù)電荷的有機(jī)物，如果活性炭的表面帶有中性條件下可水解的強(qiáng)堿性基團(tuán)的量大于竣基等強(qiáng)酸性基團(tuán)的量， 也就是說(shuō)pH大于7時(shí),在中性的水