超濾與活性炭的比較

超濾與活性炭的比較一．活性炭的吸附性能及有機(jī)物吸附的一般概念活性炭的強(qiáng)吸附性能除與它的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積有關(guān)外（其比表面積可達(dá)500-1700m2/g），還與細(xì)孔的行狀和分布以及表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)?；钚蕴康募?xì)孔一般為1~10nm,其中半徑在2nm以下的微孔占95%以上，對(duì)吸附量影響最大；過渡孔半徑一般為10?10Onm，占5％以下，它為吸附物質(zhì)提供擴(kuò)散通道，影響擴(kuò)散速度；半徑大于100nm所占比例不足1%的大孔也是作為提供擴(kuò)散通道的?；钚蕴康奈酵ǖ罌Q定影響吸附分子的大小，這是因?yàn)榭椎来笮∮绊懳降膭?dòng)力學(xué)過程。有報(bào)道認(rèn)為，吸附通道直徑是吸附分子直徑的1.7~21倍，最佳范圍是1.7~6倍，一般認(rèn)為孔道應(yīng)為吸附分子的3倍活性炭表面化學(xué)性質(zhì)可以說其本身是非極性的，但由于制造過程中處于微晶體邊緣的碳原子共價(jià)鍵不飽和而易與其他元素（如H、O）結(jié)合成各種含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、羰基等，以致活性炭又具有微弱的極性，并具有一定的化學(xué)和物理吸附能力。這些官能團(tuán)在水中發(fā)生離解，使活性炭表面具有某些陰離子特性，極性增強(qiáng)。為此，活性炭不僅可以除去水中的非極性物質(zhì)，還可吸附極性物質(zhì)，優(yōu)先吸附水中極性小的有機(jī)物，含碳越高范德華力越大，溶解度越小的脂肪酸愈易吸附，甚至微量的金屬離子及其化合物?；钚蕴窟^濾用以脫除水中的微量污染物和對(duì)反滲透膜產(chǎn)生損害的游離氯。因?yàn)榛钚蕴渴且环N非極性吸附劑，外觀為暗黑色，粒狀。主要成分碳、氧、硫、氫，具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎。活性炭是用動(dòng)植物、煤、石油及其它有機(jī)物作原料，經(jīng)加熱脫水、炭化、活化制成的具有巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的微孔，微孔直徑為20~30埃。此外，活性炭的表面有大量的羥基和羧基官能團(tuán)，可以對(duì)各種性質(zhì)的有機(jī)物進(jìn)行化學(xué)吸附、以及靜電引力作用。因此，可以脫色，除臭味，脫除重金屬、各種溶解性有機(jī)物、放射性元素、膠體及游離氯等。二．活性炭對(duì)有機(jī)物的去除1．活性炭去除有機(jī)物的影響因素活性炭對(duì)有機(jī)物的去除受有機(jī)物溶解特性的影響，主要是有機(jī)物的極性和分子大小的影響。由于活性炭表面性質(zhì)基本上是非極性的，故對(duì)分子量同樣大小的有機(jī)物，溶解度越大、親水性越強(qiáng)，活性炭對(duì)其吸附性越差，反之對(duì)溶解度小、親水性差、極性弱的有機(jī)物（如苯類化合物酚類化合物、石油和石油產(chǎn)品等）具有較強(qiáng)的吸附能力。對(duì)于分子量大的有機(jī)物，由于其憎水性強(qiáng)，體積大，又由于膜擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散控制吸附速度，因而導(dǎo)致吸附速度很慢。2．活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附方式基于上述活性炭對(duì)有機(jī)物等污染物的吸附現(xiàn)象，可以認(rèn)為其主要吸附方式為：一是范德華力（分子間力）吸附，是很弱的力，吸附力與活性炭的性質(zhì)和活性炭本身的微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，兩者分子間不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，故不形成化學(xué)鍵。二是物質(zhì)在活性炭表面之間有電子交換或共享。前者是物理吸附，是可逆的；后者是化學(xué)吸附，是不可逆的。但無論何種吸附方式，都必須接受活性炭本身結(jié)構(gòu)的孔道尺寸是否能夠使有機(jī)物進(jìn)入，而后才能被吸附的事實(shí)。3．活性炭去除有機(jī)物的特點(diǎn)研究認(rèn)為，分子量在500?3000是活性炭可能吸附的范圍，并隨分子量的增大，吸附容量減?。ㄒ姳?）。分子直徑大于活性炭孔徑的有機(jī)物難以被活性炭吸附。若有機(jī)分子直徑近似于活性炭孔徑，則可能堵塞，形成不可逆吸附。表1活性炭對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除比較

TOC(mg/L)TOC(mg/L)(%)<0.5x1030.811.39—淮河流域(0.5?1)x1031.660.5964.46(1~3)x1030.900.4846.67(3~10)x1030.060.58—<0.5x1030.490.49—北京田村(0.5~1)x1030.50.1570(1~3)x1031.361.1515.44(3~10)x1030.250.238.00活性炭進(jìn)水 活性炭出水 去除率原水 分子量范圍盡管兩個(gè)原水水質(zhì)不一樣，但活性炭對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除卻表現(xiàn)出共同的特性?；钚蕴繉?duì)分子量為500?3000的有機(jī)物有十分好的去除效果，對(duì)分子量小于500和大于3000的有機(jī)物沒有去除效果。對(duì)于分子量小于500的有機(jī)物非但沒有去除效果反而還有使其增加的可能，這可能是由于分子量小于500的有機(jī)物親水性較強(qiáng)，易被分子量大于500、且具有比其更強(qiáng)的憎水性的、能進(jìn)入活性炭微孔內(nèi)的有機(jī)物所取代?；钚蕴繉?duì)不同分子量的有機(jī)物的吸附量的不同是因?yàn)榛钚蕴考?xì)孔是最有影響的孔徑，即孔徑1?10nm被吸附分子直徑占活性炭細(xì)孔的1/3者，占主要吸附容量，可以說，在此范圍內(nèi)的有機(jī)物，基本上是小于2~3nm的有機(jī)物，能被活性炭表面吸附（如圖1）。三．去除有機(jī)物的活性炭的選擇目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)活性炭品種很少，且多數(shù)屬于氣相炭（即

18?20埃的細(xì)孔占絕大多數(shù)），自然界的污染物和有機(jī)物要比氣體分子大很多，使用氣相炭是不適當(dāng)?shù)?。?jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)還沒有專門適用于飲用凈水的活性炭。用于市政自來水處理的活性炭是過渡孔隙并不足夠多的代產(chǎn)品，所以吸附效果較差，周期短。特別是設(shè)計(jì)者和應(yīng)用者往往盲目地按活性炭的一般吸附性指標(biāo)（即比表面積、碘值、四氯化碳吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值）來選取處理天然水的活性炭，這是不恰當(dāng)?shù)?。例如，椰殼炭大部分孔隙直徑?8?20埃，其20埃（2nm）以下的微孔占95％以上，盡管這種炭的比表面積最大，達(dá)到上千平方米，它只對(duì)于氣體或小分子具有很高的吸附容量；但對(duì)于水中分子量較大、分子體積較大的有機(jī)物其吸附程度則受活性炭的過渡孔道的影響，因而用于去除天然水中分子量較大的有機(jī)物，需選用過渡孔占高比例的活性炭。活性炭對(duì)碘、四氯化碳、亞甲基藍(lán)這些小分子物質(zhì)的吸附是可以進(jìn)入活性炭的微孔中，其吸附值僅是反映了活性炭對(duì)小分子物質(zhì)的吸附能力。天然水中的有機(jī)物主要包括腐殖酸、富維酸等物質(zhì)，其分子量比碘亞甲基藍(lán)、四氯化碳（分子量大都在100?200以下）的分子量大得多故其吸附值不能代表對(duì)天然水中有機(jī)物的吸附能力。表2為活性炭一般吸附性指標(biāo)。表2活性炭一般吸附性指標(biāo)（國(guó)標(biāo)GB/TB804－1990）炭品種果殼核桃殼及杏殼椰子殼比表面積（m2/g）682.6738.31024.9碘吸附值（ml）833.4895.71111.6亞甲基藍(lán)吸附值（mg/g）CCl4吸附值（％）41.08炭品種果殼核桃殼及杏殼椰子殼比表面積（m2/g）682.6738.31024.9碘吸附值（ml）833.4895.71111.6亞甲基藍(lán)吸附值（mg/g）CCl4吸附值（％）41.089.512.545.1164.78球磨強(qiáng)度（％）949492灰分（％）2.02.02.5活性炭的吸附容量和吸附速度除了與表面積有關(guān)外，還與其吸附動(dòng)力學(xué)因素（即吸附質(zhì)能否順利遷移至活性炭孔的表面）有關(guān)，如前已述及的觀點(diǎn)：吸附分子直徑大于孔道直徑的1/3以上，吸附運(yùn)動(dòng)就會(huì)受阻吸附量就會(huì)下降。各種活性炭吸附性能（吸附容量和吸附速度）排列次序如下表3所示。表3活性炭吸附容量和吸附速度的排列活性炭品種~~煤椰殼果殼椰殼腐殖酸富維酸木質(zhì)素222活性炭品種~~煤椰殼果殼椰殼腐殖酸富維酸木質(zhì)素222丹寧1011長(zhǎng)江水質(zhì)運(yùn)行排列次序杏殼椰殼椰殼1111（日本）椰殼注：活性炭過濾器失效按吸附量降至15%?20%時(shí)為終點(diǎn)，大約運(yùn)行三個(gè)月。四．反滲透預(yù)處理之超濾技術(shù)PK活性炭傳統(tǒng)的反滲透預(yù)處理工藝通常為多介質(zhì)過濾+活性炭過濾，但隨著用水要求的提高及水處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，先進(jìn)的超濾技術(shù)逐步登上水處理行業(yè)的舞臺(tái)，這無疑是凈水革命史上的一次飛躍。下文中將對(duì)超濾技術(shù)較傳統(tǒng)活性炭的先進(jìn)之處給予簡(jiǎn)要描述。正如人們所認(rèn)知的影響反滲透給水膠體和懸浮顆粒的水質(zhì)指標(biāo)是SDI（即污染指數(shù)），污染指數(shù)SDI的測(cè)定是以0.45卩m微孔膜作為依據(jù)的。大于0.45pm微孔的有機(jī)物相對(duì)分子量大約是上百萬，這對(duì)于有效吸附分子量為500?3000的活性炭來說，是無能為力的。即使活性炭過濾使SDI有所降低，使COD有所下降，也只能認(rèn)為是機(jī)械過濾的作用而不是靠吸附的作用。況且活性炭還存在有成為細(xì)菌滋生源的負(fù)面作用。因而在反滲透預(yù)處理中，活性炭?jī)H是作為吸附部分小分子有機(jī)物之用，很顯然以活性炭過濾作為降低由于大分子顆粒形成的高SDI的手段，是不當(dāng)?shù)摹６槍?duì)于活性炭的上述不足我們可以通過下表技術(shù)作為反滲透預(yù)處理及在凈水工藝中的優(yōu)越性。4明顯的看出超濾表4超濾與活性炭性能比較超濾活性炭過濾精度0.01pm>100pm生物污染去除滋生有機(jī)污染去除大分子有機(jī)物去除小分子有機(jī)物游離氯不去除去除壽命>36（月）V2（月）注：活性炭吸附有機(jī)物壽命計(jì)算例：3000活性炭罐截面積=7m2活性炭添加量=7m2xl.6m=11.2m3活性炭重量=11.2m3x0.45t/m3=5.04t給水活性炭吸附量(7%)=5.04tx0.07=0.353t=353Kg活性炭水流量=80t/hr;原水有機(jī)物為0.4mg/L=0.4g/t進(jìn)入活性炭有機(jī)物=0.4g/tx80t/hr=32g/hr=0.032Kg/hr活性炭壽命=353Kg/(0.032Kg/hr)=11031hr=459d=1 年零2個(gè)半月此外超濾還具有以下優(yōu)點(diǎn)：?大流量錯(cuò)流，污染均化?反沖加藥，抑制污染化學(xué)藥洗，及時(shí)恢復(fù)反沖水回用，節(jié)約用水?多套交替反沖，穩(wěn)定連續(xù)?易與自動(dòng)控制，直觀高效

表5、運(yùn)行成本比較工藝：多介質(zhì)＋活性炭＋反滲透＋混床序號(hào)費(fèi)用來源單位時(shí)間用量估算單價(jià)元成本元/噸1.電170Kw/小時(shí)0.40.5672.殺菌劑0.8千克/小時(shí)1.20.0083.絮凝劑0.8千克/小時(shí)1.50.0104.還原劑0.8千克/小時(shí)3.20.0215.阻垢劑0.8千克/小時(shí)650.4336.石英砂更換3.3噸/年6000.0027.無煙煤更換0.75噸/年12000.0018.活性炭更換10噸/459天90000.0689.5um過濾芯70支/3月400.01110.反滲透膜更換132支/5年56550.14211.陽(yáng)離子交換樹脂3%-10%/年102000.00112.陰離子交換樹脂3%-10%/年247500.00213.再生用NaOH(30%)331Kg/次0.660.08914.再生用HCl(30%)235Kg/次0.600.05815.人工8人/班4班/天2000/月0.741合計(jì)￥2.154*其他成本另計(jì)

工藝：超濾＋反滲透＋混床序號(hào)費(fèi)用來源單位時(shí)間用量估算單價(jià)元成本元/噸16.電181Kw/小時(shí)0.40.60317.殺菌劑1.0千克/小時(shí)1.20.01018.絮凝劑1.0千克/小時(shí)1.50.01319.還原劑1.0千克/小時(shí)3.20.02720.超濾膜更換56支/5年150000.16021.5um過濾芯70支/10月400.00322.阻垢劑0.8千克/小時(shí)650.43323.反滲透膜更換132支/10年56550.07124.陽(yáng)離子交換樹脂3%-10%/年102000.00125.陰離子交換樹脂3%-10%/年247500.00226.再生用NaOH(30%)331Kg/次0.660.08927.再生用HCl(30%)235Kg/次0.600.05828.人工5人/班3班/天2000/月0.347合計(jì)￥1.817*其他成本另計(jì)總結(jié)：以上分析比較表明若預(yù)處理系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)