竹炭是竹材在无氧或缺氧条件下高温热解得到的产物,竹炭产业在我国已初具规模,开发了许多产品,但在饮用水用竹炭领域存在市场先行研究滞后,竹炭本身的重金属含量,矿物质含量,饮用水应用情况及其作用机理鲜有报道,通过这些研究可为饮用水竹炭的生产和应用提供理论依据。本文选用不同立地条件、部位、竹龄的毛竹,在炭化温度650℃/750℃,反应时间3 h/5 h炭化工艺条件下,按照L9(34)×L4(23)正交乘积法设计试验方案,在机械炭化炉中制得竹炭;采用比表面积测定仪、电感耦合等离子光谱发射光谱仪等仪器,参照国家相关标准分别对其灰分、挥发分、固定碳、密度、比表面积和溶解pH值等理化性能及微量元素含量进行测试、分析和比较,得出各因素及其相互间交互作用的影响;从中筛选出不同重金属含量的几组竹炭进行饮用水应用试验,从煮水炭水比例、沸腾时间、循环次数、水质,沸水冲泡及常温浸渍等诸因素考虑试验,最终获得竹炭饮用水应用的最佳工艺;并利用傅立叶红外光谱仪、孔隙度测试分析仪、超景深三维显微镜和粉末X-射线衍射仪,分别对竹炭煮水前后官能团变化、微观结构变化及晶体结构变化进行了表征与分析,初步探索了竹炭饮用水应用作用机理。研究结果表明:不同因素对竹炭的理化性能及微量元素含量有不同程度的影响,竹炭应用于饮用水主要受常量元素溶解量及溶解焦油量的影响,而与竹炭本身重金属含量影响小,自身重金属几乎不会溶解到水中。(1)在本试验条件下,炭化工艺与原料条件及其交互作用对竹炭灰分、挥发分及固定碳有不同程度的影响,未经营的毛竹稍部在750℃/3 h下炭化时灰分含量较少;反应时间5 h时挥发分含量较少;炭化温度750℃时固定碳含量比650℃的高。本试验竹炭的密度在0.367-0.705 g·cm-3之间,主要与毛竹部位的选择有关。本试验竹炭比表面积受炭化温度的影响明显,也与毛竹部位的选择和反应时间大小有关,毛竹稍部在750℃/3 h下炭化比表面积较大。本试验竹炭的溶解pH值在7.02-9.57之间,均属于碱性,适合饮用水应用。(2)毛竹砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)含量及钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)、镁(Mg)、磷(P)、硫(S)常量元素总含量随竹龄的增加而增加,从稍部到基部依次增加,且与土壤中含量密切相关;各因素影响程度从大到小均依次为立地条件、毛竹部位和竹龄。毛竹炭化后其As、Pb、Cd含量及常量元素总含量都有一定程度的降低,炭化工艺与原料条件及其交互作用有不同程度的影响,未经营的毛竹稍部在750℃/3 h下炭化As、Pb、Cd含量较少。毛竹基部在650℃/5 h的条件下炭化常量元素总含量较高。(3)竹炭用于自来水煮水、冲泡或浸渍,持续煮水或循环煮水,用于超纯水、矿物质水及自来水煮水,其饮用水微量元素指标均符合生活饮用水卫生标准GB5749-2006,竹炭煮水或沸水冲泡后自来水常量元素总含量增加明显,焦油含量也增加,竹炭煮水或沸水冲泡的较佳炭水比例为1:75。随着竹炭常温浸渍时间或煮水沸腾时间的增加,常量元素总含量增加明显,同时焦油含量也增加,竹炭常温浸渍饮用水3 h前饮用较佳;沸腾时间应尽量不超过30 min。随着竹炭煮水的循环使用,对焦油的溶解量降低,竹炭煮水至少可循环使用4次。竹炭对不同水质中微量元素吸附溶解量不同,会溶解常量元素和少量的焦油,从而增加水质的色度和浊度,但影响不大,满足生活饮用水卫生标准GB 5749-2006;同时竹炭煮水可以吸附自来水中的余氯。(4)傅立叶红外光谱仪对竹炭煮水前后官能团分析表明,竹炭中可能存在醇或酚中缔合的-OH,它在酸性条件下,与溶液中的H+作用而形成-OH2+等酸性官能团正离子而发生化学吸附;煮水对竹炭的化学结构影响不大。利用比表面积及孔隙度分析仪对竹炭煮水前后孔隙结构进行表征,竹炭煮水后其比表面积提高,平均孔径变小,比孔容增加。用超景深三维显微镜对竹炭煮水前后孔隙进行了观测,发现许多裂纹,这些裂纹可能是竹炭孔隙结构中的中孔及微孔,起到了主要的物理吸附作用。竹炭煮水前后XRD分析表明,竹炭煮水前后本身组成总体上变化较小,推测竹炭煮水以物理变化为主,兼具少量化学变化,即竹炭可以循环重复应用于饮用水煮水。综合分析本试验竹炭理化性能和微量元素含量及饮用水应用试验,饮用水用竹炭的较佳生产工艺为未经营的毛竹基部在650℃/5 h下炭化,可以应用于纯水、矿物质水及自来水等,应用方法可以是煮水、沸水冲泡和常温浸渍,工艺以炭水比例1:75,煮水沸腾时间不超过30 min,煮水循环使用4次以上,常温浸渍3 h前饮用为佳。