一．   活性炭的吸附性能及有机物吸附的一般概念

活性炭的强吸附性能除与它的孔隙结构和巨大的比表面积有关外（其比表面积可达500-1700m2/g），还与细孔的行状和分布以及表面化学性质有关。活性炭的细孔一般为1～10nm，其中半径在2nm以下的微孔占95％以上，对吸附量影响最大；过渡孔半径一般为10～100nm，占5％以下，它为吸附物质提供扩散通道，影响扩散速度；半径大于100nm、所占比例不足1％的大孔也是作为提供扩散通道的。

活性炭的吸附通道决定影响吸附分子的大小，这是因为孔道大小影响吸附的动力学过程。有报道认为，吸附通道直径是吸附分子直径的1.7～21倍，最佳范围是1.7～6倍，一般认为孔道应为吸附分子的3倍。

活性炭表面化学性质可以说其本身是非极性的，但由于制造过程中处于微晶体边缘的碳原子共价键不饱和而易与其他元素（如H、O）结合成各种含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，以致活性炭又具有微弱的极性，并具有一定的化学和物理吸附能力。这些官能团在水中发生离解，使活性炭表面具有某些阴离子特性，极性增强。为此，活性炭不仅可以除去水中的非极性物质，还可吸附极性物质，优先吸附水中极性小的有机物，含碳越高范德华力越大，溶解度越小的脂肪酸愈易吸附，甚至微量的金属离子及其化合物。

活性炭过滤用以脱除水中的微量污染物和对反渗透膜产生损害的游离氯。因为活性炭是一种非极性吸附剂，外观为暗黑色，粒状。主要成分碳、氧、硫、氢，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭是用动植物、煤、石油及其它有机物作原料，经加热脱水、炭化、活化制成的。具有巨大的比表面积和发达的微孔，微孔直径为20~30埃。此外，活性炭的表面有大量的羟基和羧基官能团，可以对各种性质的有机物进行化学吸附、以及静电引力作用。因此，可以脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素、胶体及游离氯等。

 

二．   活性炭对有机物的去除

1．     活性炭去除有机物的影响因素

活性炭对有机物的去除受有机物溶解特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响。由于活性炭表面性质基本上是非极性的，故对分子量同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对其吸附性越差，反之对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物（如苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等）具有较强的吸附能力。

对于分子量大的有机物，由于其憎水性强，体积大，又由于膜扩散、内扩散控制吸附速度，因而导致吸附速度很慢。

2．     活性炭对有机物的吸附方式

基于上述活性炭对有机物等污染物的吸附现象，可以认为其主要吸附方式为：

一是范德华力（分子间力）吸附，是很弱的力，吸附力与活性炭的性质和活性炭本身的微孔结构有关，两者分子间不发生电子转移，故不形成化学键。

二是物质在活性炭表面之间有电子交换或共享。

前者是物理吸附，是可逆的；后者是化学吸附，是不可逆的。但无论何种吸附方式，都必须接受活性炭本身结构的孔道尺寸是否能够使有机物进入，而后才能被吸附的事实。

3．     活性炭去除有机物的特点

研究认为，分子量在500～3000是活性炭可能吸附的范围，并随分子量的增大，吸附容量减小（见表1）。分子直径大于活性炭孔径的有机物难以被活性炭吸附。若有机分子直径近似于活性炭孔径，则可能堵塞，形成不可逆吸附。

表1  活性炭对不同分子量有机物的去除比较

原水	分子量范围	活性炭进水 TOC（mg/L）	活性炭出水 TOC（mg/L）	去除率 （％）
淮河流域	＜0.5×103	0.81	1.39	—
	（0.5~1）×103	1.66	0.59	64.46
	（1~3）×103	0.90	0.48	46.67
	（3~10）×103	0.06	0.58	—
北京田村	＜0.5×103	0.49	0.49	—
	（0.5~1）×103	0.5	0.15	70
	（1~3）×103	1.36	1.15	15.44
	（3~10）×103	0.25	0.23	8.00

不被吸附的大分子

炭

堵塞

可逆吸附

粒

尽管两个原水水质不一样，但活性炭对不同分子量有机物的去除却表现出共同的特性。活性炭对分子量为500～3000的有机物有十分好的去除效果，对分子量小于500和大于3000的有机物没有去除效果。对于分子量小于500的有机物非但没有去除效果，

反而还有使其增加的可能，这可能是由于分子量小于500的有机物亲水性较强，易被分子量大于500、且具有比其更强的憎水性的、能进入活性炭微孔内的有机物所取代。

活性炭对不同分子量的有机物的吸附量的不同是因为活性炭细孔是最有影响的孔径，即孔径1～10nm被吸附分子直径占活性炭细孔的1/3者，占主要吸附容量，可以说，在此范围内的有机物，基本上是小于2~3nm的有机物，能被活性炭表面吸附（如图1）。

 

三．   去除有机物的活性炭的选择

目前，国内生产的优质活性炭品种很少，且多数属于气相炭（即18～20埃的细孔占绝大多数），自然界的污染物和有机物要比气体分子大很多，使用气相炭是不适当的。据报道，国内还没有专门适用于饮用净水的活性炭。用于市政自来水处理的活性炭是过渡孔隙并不足够多的代产品，所以吸附效果较差，周期短。特别是设计者和应用者往往盲目地按活性炭的一般吸附性指标（即比表面积、碘值、四氯化碳吸附值、亚甲基蓝吸附值）来选取处理天然水的活性炭，这是不恰当的。

例如，椰壳炭大部分孔隙直径是18～20埃，其20埃（2nm）以下的微孔占95％以上，尽管这种炭的比表面积最大，达到上千平方米，它只对于气体或小分子具有很高的吸附容量；但对于水中分子量较大、分子体积较大的有机物其吸附程度则受活性炭的过渡孔道的影响，因而用于去除天然水中分子量较大的有机物，需选用过渡孔占高比例的活性炭。

活性炭对碘、四氯化碳、亚甲基蓝这些小分子物质的吸附是可以进入活性炭的微孔中，其吸附值仅是反映了活性炭对小分子物质的吸附能力。

天然水中的有机物主要包括腐殖酸、富维酸等物质，其分子量比碘、亚甲基蓝、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对天然水中有机物的吸附能力。表2为活性炭一般吸附性指标。

表2  活性炭一般吸附性指标（国标GB/TB804－1990）

炭品种	果壳	核桃壳及杏壳	椰子壳
比表面积（m2/g）	682.6	738.3	1024.9
碘吸附值（ml）	833.4	895.7	1111.6
亚甲基蓝吸附值（mg/g）	9	9.5	12.5
CCl4吸附值（％）	41.08	45.11	64.78
球磨强度（％）	94	94	92
灰分（％）	2.0	2.0	2.5

活性炭的吸附容量和吸附速度除了与表面积有关外，还与其吸附动力学因素（即吸附质能否顺利迁移至活性炭孔的表面）有关，如前已述及的观点：吸附分子直径大于孔道直径的1/3以上，吸附运动就会受阻，吸附量就会下降。

各种活性炭吸附性能（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

活性炭品种	腐殖酸	富维酸	木质素	丹宁	长江水质运行排列次序
煤				10
椰壳				11
果壳				3	3
椰壳	2	2	2	2	2
杏壳	1	1	1	1	1
椰壳				9
椰壳				6
（日本）椰壳				8	4

注：活性炭过滤器失效按吸附量降至15％～20％时为终点，大约运行三个月。

 

四．   反渗透预处理之超滤技术PK活性炭

传统的反渗透预处理工艺通常为多介质过滤+活性炭过滤，但随着用水要求的提高及水处理技术的不断进步，先进的超滤技术逐步登上水处理行业的舞台，这无疑是净水革命史上的一次飞跃。下文中将对超滤技术较传统活性炭的先进之处给予简要描述。

正如人们所认知的影响反渗透给水胶体和悬浮颗粒的水质指标是SDI（即污染指数），污染指数SDI的测定是以0.45μm微孔膜作为依据的。大于0.45μm微孔的有机物相对分子量大约是上百万，这对于有效吸附分子量为500～3000的活性炭来说，是无能为力的。即使活性炭过滤使SDI有所降低，使COD有所下降，也只能认为是机械过滤的作用，而不是靠吸附的作用。况且活性炭还存在有成为细菌滋生源的负面作用。因而在反渗透预处理中，活性炭仅是作为吸附部分小分子有机物之用，很显然以活性炭过滤作为降低由于大分子颗粒形成的高SDI的手段，是不当的。

而针对于活性炭的上述不足我们可以通过下表4明显的看出超滤技术作为反渗透预处理及在净水工艺中的优越性。

表4  超滤与活性炭性能比较

	超滤	活性炭
过滤精度	0.01μm	＞100μm
生物污染	去除	滋生
有机污染	去除大分子有机物	去除小分子有机物
游离氯	不去除	去除
寿命	＞36（月）	＜2（月）

注：活性炭吸附有机物寿命计算

例：3000活性炭罐截面积=7m2

活性炭添加量=7m2×1.6m=11.2m3

活性炭重量=11.2m3×0.45t/m3=5.04t

给水活性炭吸附量(7%)=5.04t ×0.07=0.353t=353Kg

活性炭水流量=80t/hr;

原水有机物为0.4mg/L=0.4g/t

进入活性炭有机物=0.4g/t ×80t/hr=32g/hr=0.032Kg/hr

活性炭寿命=353Kg/(0.032Kg/hr)=11031hr=459d=1年零2个半月

此外超滤还具有以下优点：

l大流量错流，污染均化

l反冲加药，抑制污染

l化学药洗，及时恢复

l反冲水回用，节约用水

l多套交替反冲，稳定连续

l易与自动控制，直观高效

表5、运行成本比较

工艺：多介质＋活性炭＋反渗透＋混床

*其他成本另计

序号	费用来源	单位时间 用量	估算单价 元	成本 元/吨
16.	电	181Kw/小时	0.4	0.603
17.	杀菌剂	1.0千克/小时	1.2	0.010
18.	絮凝剂	1.0千克/小时	1.5	0.013
19.	还原剂	1.0千克/小时	3.2	0.027
20.	超滤膜更换	56支/5年	15000	0.160
21.	5um过滤芯	70支/10月	40	0.003
22.	阻垢剂	0.8千克/小时	65	0.433
23.	反渗透膜更换	132支/10年	5655	0.071
24.	阳离子交换树脂	3%-10%/年	10200	0.001
25.	阴离子交换树脂	3%-10%/年	24750	0.002
26.	再生用NaOH（30％）	331Kg/次	0.66	0.089
27.	再生用HCl（30％）	235Kg/次	0.60	0.058
28.	人工	5人/班 3班/天	2000/月	0.347
合计				￥1.817