活性炭去除水中余氯的分析.docx

活性炭去除水中余氯的分析摘要：通过对5种不同活性炭的去除余氯量实验、余氯穿透实验以及化学反应产物C1「的质量平 衡数据，探讨了活性炭去除余氯的性能和机制活性炭去除余氯是吸附与化学反应共同作用的结 果活性炭与水中余氯接触后的初期,去除余氯以吸附作用为主；达到吸附平衡■后，余氯浓度继续下 降则是由于化学反应的作用接触时间越长、余氯初始浓度越高、p H较低,活性炭去除余氯量越 大由C1「的生成量可以确定化学反应去除余氯量是余氯总去除量的一部分;接触时间越长，活性 炭剂量越大，化学反应去除余氯量占余氯总去除量的比例越高使用粒径＜ 180目活性炭进行余氯 去除实验，吸附容量在1 ~2h即达到饱和活性炭对余氯吸附量(2 h的余氯去除量)的大小与其 苯酚值排行相同苯酚值及碘值较高的煤质炭与余氯有较强的化学反应，果壳炭其次，而椰壳炭的 化学性相对稳定关键词：活性炭余氯去除物理吸附化学反应1.前言水中氯的来源主要是自来水厂或污水处理厂出水中加氯杀灭微生物麻的剩余氯水中余氯会对 饮用水口感「、人体健康◎、食品饮料品质、离子交换和膜分离技术设备5-29，“以及水生 生物造成影响和危害去除水中余氯主要有化学还原和活性炭处理两种方法",：812635。

活性炭 法具有去除效率高、不产生二次污染、能同时去除水中有机物的特点，因此常用于大规模去氯工艺 关于活性炭去除余氯原理,文献一 9 •认为活性炭中有一种活性很强的自由基，能与余氯发生如下反 应：IIC1O + C* f C*O + Cl ■ + H+ (1)OC1 ■ + C* -*C*0 + Cl ■ (2)式中:C为活性炭自由基;CP为表面氧化物黄建东等"9和闻瑞梅等⑵则强调了活性茨的催化作 用，认为在活性炭的作用下HC1O分解生成了新生态氧([0])，继而将碳氧化，反应如下:HC10活性 炭活性炭HC1O Cl「+ H+ + [0] (3)2[0] + C —C02 t (4)活性炭的脱氯性能主要以去除量和去除速率表征玄o木文着重对活性炭去除水中余氯量进行了实 验研究，主要目的为：（1）观测不同材质活性炭对余氯的去除能力；（2）探讨不同材质活性炭与余 氯的化学反应性能；（3）研究活性炭与余氯接触时间（简称接触时间）、余氯初始浓度、溶液初始 pH、活性炭材质等因素对余氯去除的影响；（4）分析C1「生成量和活性炭剂量及余氯去除量的关 系,印证活性炭去除余氯机制；（5）进行穿透实验，比较不同材质活性炭对余氯的去除能力。

2 材料与方法2. 1 材料与仪器5种国产商品活性炭:3种不同活化程度的煤质炭（I〜III）；果壳茨和椰壳炭各1种商品 活性炭经粉碎、筛选、洗净、烘干待用表1为表征活炭对不同大小分了的吸附性能及表面化学 性质的4项指标值苯酚值体现活性炭内孔径小于1. Onm微孔的发达程度及表面氧化情况，可表 征活性炭对于小分子芳环类和极性化合物的吸附能力;碘值体现活性炭内孔径1. 0〜1. 5 nm微孔 的发达程度与比表面积大小；甲基蓝值则代表活性炭内孔径为1. 5〜2. 8 nm的微孔和小中孔发达 程度；丹宁酸值代表活性炭内孔径大于2. 8 nm左右的中孔数量『峻，皿表1 活性炭吸附性能指标信息mg/ g活性炭种类苯酚值1）碘值2）甲基蓝值3）丹宁酸值4）煤质炭I81.0111431342.3果壳炭111.01033307105.0椰売炭131.099916413.2煤质炭II74. 69022048. 1煤质炭III61.9543< 15033. 3注：1）在平衡质量浓度为20 mg/ L的苯酚溶液中，1 g活性炭吸附的苯酚M, mg/ g ;2）在平 衡摩尔浓度为0. 02 mol/ L的碘溶液中，lg活性炭吸附的碘量,mg/g; 3）在平衡质量浓度为1 mg/ L的甲基蓝溶液中，1 g活性炭吸附的甲基蓝S, mg/ g ;4）在平衡质量浓度为加g/ L的丹宁酸溶 液中，1 g活性炭吸附的丹宁酸量,mg/ g0次氯酸钠溶液，化学纯，活性氯$5. 2 %（质量分数）； 游离碱，7. 8 %〜8. 0 % （以NaOH计,质量分数）;N,N2二乙基21 , 42苯二胺硫酸盐（DPD）;硝酸 银（分析纯）。

UV2000紫外分光光度计；PHS23E型数字酸度计;4041/KSM2型电动咖啡研磨机（美 国BrAun）;头尾旋转摇床（5〜15转/ min ,自制）;ES2B10型计量泵;BSZ2160改进型自动采样 器2. 2 余氯溶液配制用去离了水稀释次氯酸钠溶液作为余氯储备液余氯使用液（2-15 mg/L，以CL计,下同）： 用去离了水稀释余氯储备液，用稀112 S04调节溶液p II至6. 5〜7. 0，测定余氯浓度，以此作为实验 用余氯溶液余氯储备液和余氯使用液配制后尽快使用余氯采用DPD光度法测定"力叩2. 3 去除量实验将20 mg活性炭（粒径〈180目）加入100 mL去离了水中，用磁力搅拌器搅拌，配制成20 mg/ mL 炭泥［13］114 o余氯初始质量浓度为5 mg/ L时,分别向8只反应瓶中加入0、0. 3、0. 6、1. 0、 2.0、3.0、4.0、5.0 mL炭泥,再加入去离了水使总体积为5 mL，然后加入35 mL余氯溶液 余氯初始浓度不同时，可适当调节炭泥、去离子水和余氯溶液的量置头尾旋转摇床上充分接触2、 5、8 h ,测泄剩余余氯浓度计算余氯去除量W 二（- ct ） XV / in （5）式中：於为单位质m（g）的活性炭对余氯的去除最,mg/ g ； c0为余氯初始质量浓度,mg/ L ; c方为余氯剩余质量浓度,mg/ L ; V为样品总体积,L , K = 0. 04 L ;皿为样品中活性炭质量,g。

以 Freundlich吸附等温线表征余氯剩余浓度和去除量的关系,绘制在双对数坐标图［12 ］4332. 4 化学反应产物CI「检测实验分别向5只盛有400 mL质量浓度为10 mg/ L余氯溶液的烧杯中加入0、2、10、20、40 mg 煤质炭I （粒径〈180目），密封用磁力搅拌器搅拌使其充分接触16 h，静置测定溶液余氯浓 度和C1 -浓度，计算分析C1 -生成最和活性炭剂量及余氯去除最的关系C1 一测定采用硝酸银滴 定法［16 11802182 o2. 5 穿透实验活性炭对余氯的吸附去除量大，用传统的穿透技术（空床停留时间（EBCT） > 2 min）耗时太长 且浪费资源，故木研究采用了简便、高效的微型炭柱快速穿透（MCRB）技术［12 1432, ［17, 18］ 称取一定量120〜180目活性炭，填装到不锈钢穿透柱中，下端以玻璃棉衬托，上端以玻璃珠填充 活性炭去除余氯效率很高，调节计量泵流速将装置的EBCT控制在5 s左右进水余氯质量浓度（即 初始质量浓度E ）为15 mg/ L左右,启动自动采样器采集并立即分析岀水中余氯浓度（即剩余质 量浓度氏），以床层体积数（即处理水量/床层体积）为横坐标、ct/cO为纵坐标绘制穿透曲线。

3 结果与讨论3. 1 接触时间的影响活性炭去除余氯受接触时间、余氯初始浓度、pH和活性炭材质等因素的影响［19］图2为 煤质炭I、果壳炭、椰壳炭和煤质炭II在余氯初始质童浓ID10.0100 0.1IX)10.0剧余质■玻度/(mg - U1)剧余质■浓度/(吨・「)(d)煤质规D100 0.1 ID 10.0剧余质■诙度4吨・I?)1000□ 2bAShO8h100 * 0.1 1.0 10.0K余质■浓度/(mg • L4)1000□ 2bA$hO8h图1 接触时间对余氯去除量的影响度5 mg/ L、初始p H 6. 5〜7. 0条件下，接触时间为2、5、8 h时的余氯去除量和Freundlich 吸附等温线余氯去除量随接触时间的增加而增加,但由于存在化学反应使余氯浓度不断下降，变 化趋势减低活性炭去除水中余氯是物理吸附与化学反应共同作用的结果煤质炭【与余氯有较 强的化学反应，余氯去除量随接触时间的增加有明显增加；果壳炭也具有高化学性能，余氯去除量 随接触时间的增加而增加;椰売炭和煤质炭II的化学性质相对稳定，同样长时间段内(2〜5、5〜8 h 余氯去除量的增加幅度小得多。

3. 2 余氯初始浓度的影响在纯粹的吸附过穆中，吸附质的初始浓度对吸附容量影响有限，而化学反应的作用在不同初始 浓度条件下有较大的并别化学反M中反应物的初始浓度越高，反应越快，反臧程度越大,对反应物 的去除量越大考察了不同余氯初始浓度下，椰壳炭与余氯溶液接触时间5 h时余氯的去除量，结 果见图2由图2可见,在初始p H 6. 5〜7. 0条件下，即便是化学性能较差的椰壳炭对余氯的去 除呈也随余氯初始浓度的增加而明显增加剩余质量浓度/(mg - L-1)图2 余氯初始质量浓度对余氯去除量的影响3. 3 溶液初始p H的影响图3显示,余氯初始质量浓度为15 mg/ L、接触时问5 h时,溶液不同初始p H下余氯的去除 量,煤质炭I和果壳炭对余氯的去除量由于溶液从初始P H 10. 6降低至p H 7. 0而明显增加p H对活性炭去除余氯的影响是由于它决定了余氯形式的分布，见式(6) oIIC10 —>OC1 - + 11+ p Aa = 7. 5 (20°C)1 000100A果壳炭，pH=7.0□煤质炭I, pH=7.0▲果壳炭，pH=10.6■煤质炭 I,pH=10.60」0.010.101.0010.00剩余质量浓度/（mg - L'1）3 pH对余氯去除量的影响在p II 7. 0时；IIC10和0C1 -分别占75 %和25 %，而在p H 10. 6时余氯几乎全部是0C1 -。

活性炭为非极性吸附剂，部分表曲带负电荷，对0C1 -有排斥力，IIC10则能快速渗透进入到活性 炭内孔，故pH 7. 0时活性炭对余氯的吸附量较大此外，由于HC10的氧化力比0C1 -高,因此p H 7. 0时，活性炭对余氯的化学反应去除量亦校大这两个因索同时作用，导致p H为7. 0时活性 炭对余氯去除暈较大3. 4 CI「生成量与余氯去除量的关系cr为活性炭与余氯化学反应的主要产物，分析cr±成量、活性炭剂量及余氯去除量的关系 （见表2）有助于探讨活性炭去除余氯的机制随着活性炭剂量的增加,生成量增加，同时又因 为余氯剩余浓度降低，化学反应速度降低，因此观察到c「生成量先增加后减少的现彖由表2计算 得到，在接触时间16 h时,余氯去除量的Freundlich吸附等温线在图1 @）的8 h曲线之上,8〜 16 h的去除量变化趋势较2〜5、5〜8 h更低3. 5 活性炭材质的影响考察了活性決（粒径〈180日）在余氯初始质量浓度5 mg/ L .溶液初始p H 6. 5〜7 . 0条 件下接触时间2、5 h时的余氯去除量由于余氯分子小，扩散速度快［20 ］，吸附容量在1〜2 h即 达到饱和，活性炭对余氯的吸附量以其在2 h内对余氯的去除量表征,试验结果见图4 （a）。

对余 氯吸附量（2 h去除量）的大小顺序大致是：椰売炭〉果売炭〉煤质炭1＞煤质炭II〉煤质炭III, 这与表1中活性炭的苯酚值大小顺序相符溶液初始p II 7. 0时，余氯溶液的主要成分为IIC10 ,与苯酚一样为极性小分了,在水中的扩散速度与苯酚接近，因此苯酚值能很好地表征活性炭对余氯 的吸附量。