2.2 活性炭結(jié)構(gòu)特征
2.2.1 活性炭孔徑特征
實(shí)驗(yàn)采用比表面積、孔容積和孔徑分布來(lái)表征活性炭的孔徑特征。比表面積和孔容積是反映活性炭吸附能力的常規(guī)指標(biāo)，由于在活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)中，微孔占了絕大的比例，所以比表面積和孔容積反映的通常是微孔的發(fā)達(dá)情況。但在水處理中，期望被去除的污染物質(zhì)的分子通常比較大，它被微孔吸附的可能性就大大低于小分子吸附質(zhì)，因此僅用微孔容積來(lái)衡量活性炭的吸附能力顯然是不全面的。所以，實(shí)驗(yàn)通過(guò)孔徑分布來(lái)描述不同活性炭中孔和大孔的容積，以考察它們對(duì)不同分子量大小的有機(jī)物的去除情況。
活性炭的孔徑特征參數(shù)見表 4和表 5。
表4 不同活性炭的比表面積和孔容積
活性炭編號(hào) | 比表面積(m2/g) | 孔容積(mL/g) |
BAC1 | 1 114 | 0.5790 |
BAC2 | 1 091 | 0.6480 |
BAC3 | 1 328 | 0.8363 |
BAC4 | 1 100 | 0.5636 |
BAC5 | 1 027 | 0.5489 |
BAC6 | 917.5 | 0.4446 |
從分析結(jié)果來(lái)看：總體說(shuō)來(lái)BAC3的比表面積和孔容積值與其他5種炭相比顯出了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而BAC6的兩項(xiàng)指標(biāo)均比其他五種活性炭的低。BAC1、BAC2、BAC4和BAC5相差則不大。
由于活性炭的吸附能力與其內(nèi)部的孔徑分布特征是息息相關(guān)的，所以需要對(duì)活性炭在不同孔徑范圍下的孔容積作詳細(xì)的分析，見表5*。
表5 活性炭不同孔徑孔容積的分布（nm）
活性炭編號(hào) | <2 nm | 2~5 nm | 5~10 nm | 10~20nm | 20~30nm | 30~50nm | 50~100nm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
BAC1 | 0.197 | 0.100 | 0.021 | 0.012 | 0.006 | 0.002 | 0.004 |
BAC3 | 0.386 | 0.297 | 0.023 | 0.014 | 0.006 | 0.005 | 0.006 |
BAC4 | 0.166 | 0.094 | 0.021 | 0.012 | 0.004 | 0.005 | 0.006 |
BAC5 | 0.191 | 0.104 | 0.022 | 0.010 | 0.004 | 0.005 | 0.005 |
BAC6 | 0.139 | 0.058 | 0.025 | 0.007 | 0.002 | 0.001 | 0.002 |
注：由于某種原因，BAC2的孔徑分布情況沒有進(jìn)行分析
從結(jié)果中可以看出：無(wú)論在哪個(gè)孔徑范圍內(nèi)，BAC3的孔容積值都比其它活性炭高，尤其是它的中孔容積（2~50 nm）更是表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，這與2.1中數(shù)據(jù)所顯示的BAC3對(duì)NOM、耗氧量及TOC的高去除率是相吻合的。而BAC6在任何孔徑范圍下的孔容積都是6種活性炭中最低的，這與2.1中“BAC6對(duì)有機(jī)物的去除能力最差”的結(jié)論也是對(duì)應(yīng)的。
2.2.2 活性炭表面性質(zhì)
研究表明，活性炭的表面性質(zhì)對(duì)吸附起到了重要作用，表面帶電量和酸性被認(rèn)為是控制吸附的重要因素。實(shí)驗(yàn)選用Zeta電位和pH值兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)考察活性炭的表面性質(zhì)。Zeta電位值可以反映炭粒表面的電荷密度，從而用它來(lái)間接表征炭粒由表面靜電引力而引起的吸附有機(jī)物的能力[[5]]。pH主要是反映活性炭表面的酸堿性官能團(tuán)的相對(duì)數(shù)量，這些官能團(tuán)的存在使得活性炭表現(xiàn)出兩性性質(zhì)，從而影響活性炭的吸附性能。在pH值的測(cè)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，活性炭煮沸液過(guò)濾與否所測(cè)得的pH值是有差別的，過(guò)濾后濾液所得的數(shù)值比不過(guò)濾的平均降低1～2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 6所示：
表6 不同活性炭的表面性質(zhì)
活性炭編號(hào) | Zeta電位值 (最大正電/最大負(fù)電，mV) | pH值 （過(guò)濾/未過(guò)濾) |
BAC1 | 4.7/-3.48 | 8.89/9.07 |
BAC2 | 14.57/-5.16 | 7.74/7.85 |
BAC3 | 11.51/-1.92 | 9.1/9.18 |
BAC4 | 14.33/-14.13 | 8.41/8.51 |
BAC5 | 5.73/-5.12 | 8.35/8.64 |
BAC6 | 4.3/-3.48 | 8.58/8.73 |
分析結(jié)果顯示：ζ電位有正值也有負(fù)值，說(shuō)明活性炭表面有帶負(fù)電荷的也有帶正電荷的，并且同一種炭所帶的電位值基本相近。柱狀炭的Zeta電位值明顯比破碎炭的低，表明破碎炭表面所帶的電荷較柱狀炭要多，這與破碎炭的出水效果要普遍好于柱狀炭的結(jié)論相符合。同時(shí)，在BAC4的孔容積不是很大的情況下，它對(duì)NOM、高錳酸鹽指數(shù)及TOC等幾項(xiàng)指標(biāo)的去除率卻表現(xiàn)得比較突出，這與其高Zeta電位值有一定的關(guān)系，表面靜電作用增大了它的吸附量。所有活性炭的pH值均大于7，偏堿性，這時(shí)活性炭表面帶主要帶有正電荷，而水中的NOM在中性條件下帶有負(fù)電[[6]]，因此將有助于活性炭對(duì)NOM的去除，這也與2.1中的論斷相吻合。
2.3 相關(guān)性分析
表7 相關(guān)性分析結(jié)果
項(xiàng)? 目 | UV254（cm-1） | 高錳酸鹽指數(shù) （mg/L） | TOC （mg/L） | THMFP g/L）m（ |
|---|---|---|---|---|
比表面積（m2/g） | 0.5148 | 0.5574 | 0.5270 | 0.3950 |
總孔容積（cm3/g） | 0.5853 | 0.6210 | 0.4404 | 0.3425 |
Zeta電位（絕對(duì)值 mV） | 0.6573 | 0.6080 | 0.3171 | 0.2370 |
pH值（過(guò)濾后） | 0.0484 | 0.0057 | 0.0010 | 0.0107 |
pH值（未過(guò)濾） | 0.0731 | 0.0178 | 0.0037 | 0.0088 |
孔容積（2 nm） | 0.4504 | 0.4979 | 0.2575 | 0.1936 |
孔容積（2~5 nm） | 0.4952 | 0.5612 | 0.2453 | 0.1851 |
孔容積（5~10 nm） | 0.7848 | 0.6170 | 0.8746 | 0.9450 |
孔容積（10~20 nm） | 0.6727 | 0.5596 | 0.8548 | 0.6672 |
孔容積（20~30 nm） | 0.3367 | 0.2171 | 0.7813 | 0.5954 |
孔容積（30~50 nm） | 0.9115 | 0.8806 | 0.4300 | 0.6068 |
孔容積（50~100 nm） | 0.9611 | 0.8684 | 0.7812 | 0.7623 |
為了尋求在活性炭結(jié)構(gòu)和水質(zhì)安全性的內(nèi)在聯(lián)系，將上述水質(zhì)化學(xué)安全性指標(biāo)與活性炭結(jié)構(gòu)指標(biāo)的檢驗(yàn)結(jié)果作相關(guān)性分析，得出結(jié)果見下表（表中數(shù)值為R2值）：
從以上結(jié)果可以看出：
高錳酸鹽指數(shù)去除率的影響因素與UV254的基本一致，也是Zeta電位值越高，高錳酸鹽指數(shù)的去除率也就越高。對(duì)于孔容積分布，同樣是30~100 nm的較大中孔和大孔對(duì)高錳酸鹽指數(shù)去除起到主導(dǎo)作用。如果將高錳酸鹽指數(shù)去除率和UV254去除率做相關(guān)性分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，二者的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.97。這表明了該實(shí)驗(yàn)用水中的有機(jī)物主要是在紫外區(qū)254 nm處有強(qiáng)吸收峰，并且能被高錳酸鉀氧化的，那也就不難說(shuō)明為什么高錳酸鹽指數(shù)和紫外吸光度與活性炭結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性較為一致。
活性炭對(duì)NOM的吸附去除率與它表面的Zeta電位值有很大的關(guān)系，根據(jù)上面的分析，在中性水環(huán)境下，NOM為帶負(fù)電荷的有機(jī)物，靜電引力是活性炭吸附NOM的一個(gè)重要因素，因此活性炭表面的Zeta電位值越高，它對(duì)NOM的去除效果越好。值得注意的是，在孔容積分布與UV254去除率的相關(guān)性分析中，30~100 nm孔徑的孔容積對(duì)UV254去除率的影響最大，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.98，該現(xiàn)象說(shuō)明較大的中孔和大孔對(duì)NOM的去除起到主導(dǎo)作用。這是因?yàn)椋禾烊凰械挠袡C(jī)物大多以腐殖質(zhì)的形式存在，分子量大約為幾百至幾十萬(wàn)[[7]]，這樣大分子量的有機(jī)物只能夠順利到達(dá)較大中孔和大孔的表面被吸附而不容易被微孔和較小中孔吸附。
