活性炭对GSM和2-MIB的吸附性能研究

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随着我国经济的快速发展,水质污染以及由其所引发的水体富营养化问题也日益突出。水环境质量恶化的特征之一即为出现异嗅味。这些异味物质由于在水源水体中的含量低,处于纳克级,在常规混凝-沉淀-砂滤-消毒净化工艺中的去除效率十分有限。在现有的饮用水强化净化技术中,活性炭吸附具有投加方式灵活、除臭脱色效果稳定等特点得到广泛应用。本研究针对活性炭种类繁多、对致嗅物质的去除性能各异的问题,选择目前市场上常见的七种活性炭,评价其对土臭素(Geosmin,GSM)和二甲基异莰醇(2-methylisoborneol,2-MIB)两种代表性致嗅物质的吸附特点,并结合碳表面微观形貌、孔道结构和官能团类型表征,提出了对GSM和2-MIB起吸附作用的位点类型,主要研究结论如下:(1)GSM和2-MIB在传统混凝-沉淀-过滤工艺中的去除效率较低。采用PACl混凝(pH=7.0,t=15℃,PACl=20.0 mg/L)时,二者在过滤出水中的去除率分别为20.3%和23.1%。相同条件下,将混凝剂由PACl改为壳聚糖或FeCl3后,GSM和2-MIB的去除率则降至14.3%和16.5%左右。与壳聚糖和Fe Cl3不同,PACl为带有正电荷的无机大分子,对GSM和2-MIB具有更强的吸附性能,在网捕卷扫和共沉淀作用下可实现少量臭味物质的去除。然而,受混凝剂水解产物比表面积及活性位点数量的限制,混凝过程的除臭能力难以满足水质强化净化的需求。(2)对于具有更大比表面积和活性吸附位点的科密欧煤质炭(C1)、天力煤质炭(C2)、核桃壳炭(C3)、枣壳炭(C4)、椰壳炭(C5)、沥青炭(C6)和果壳炭(C7)对GSM和2-MIB的去除效果存在明显差异。其中,C5对GSM和2-MIB去除效率均较高。中性环境下,二者在吸附平衡后的去除率(GAC=3.0 g/L)分别为90.2%和81.3%。相同条件下,C2对GSM的去除率则最低(1.3%),对2-MIB的去除率也仅为24.9%。同为煤质炭,C1对GSM和2-MIB的去除率则明显高于C2,分别为93.0%和61.1%。(3)活性炭对GSM和2-MIB的去除效果主要与其内部的孔道数量、孔径比例以及碳表面的活性位点类型有关。孔道数量,即活性炭比表面积越大,其对臭味物质的吸附能力越强;在具有相近比表面积的条件下,微孔(孔径<2 nm)孔容占总孔容比例越多时,越有利于GSM和2-MIB的吸附。同时,碳表面醇羟基、酚羟基和羧基等含氧官能团数量越多,其与GSM和2-MIB发生化学吸附的能力也越强。采样化学氧化法去除C5表面醇羟基和酚羟基等活性位点后,其对GSM和2-MIB的吸附能力出现明显下降,进一步证实上述结论。(4)GSM和2-MIB在C5表面的吸附属于二级反应,且符合Freundlich等温模型。共存物质存在条件下,将对其吸附速率和平衡吸附量产生一定的影响。Na+对活性位点的竞争吸附作用较弱,对GSM和2-MIB的去除基本不存在影响;与Na+类似,低浓度Ca2+(<1.0 mmol/L)几乎不产生影响;当Ca2+>1.0 mmol/L或有高岭土(浊度)物质共存时,由于活性炭孔隙的堵塞问题现象出现,使得其对GSM和2-MIB吸附能力出现明显下降;与高岭土(浊度)物质不同,HA的存在将对活性炭形成包裹作用,阻断了GSM和2-MIB向碳内部的迁移过程。本研究所确定活性碳类型(椰壳炭)对天然水体中的GSM和2-MIB等常见臭味物质均具有良好的吸附去除性能。这一研究成果将为自来水厂活性炭的选择,以及突发性水体污染事故的应急处理提供理论支撑。同时,基于活性炭与臭味物质间的作用原理,还为活性炭的优化改性,以及新型吸附材料的开发利用指明了方向,具有重要的理论意义和应用价值。
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