摘要 ： 不 同厂 家、 不 同炭龄 活性炭 由于结构特征 、 性能不同， 去除污染物的能力也存在差异。 本文考察
了北方D J水厂不同厂家、 不同炭龄活性炭结构性能与去除有机物效果的关系， 结果发现： 活性炭对D O C 去除
率与孔容结构 (包括孔径 ) 存在一定的相关性 ， 基本上随着孔容积的降低去除率也降低 ； 随着炭龄 的延长，
活性炭的BE T ~h表面积基本呈下降趋势； 活性炭平均孔径与炭龄的关系不大； 在孔容／ 径结构相 同的情况下，
比表
面积较大的活性炭对溶解性有机物的吸附效果较好 ， 因此建议进行活性炭的选择 时， 综合考虑炭结构特
征 。
关键词 ： 活性炭孔 隙结构 B ET I：~表面积 D O C 光电子能谱分析
研究认 为 [ 1-31， 不同厂家 、 不 同炭龄 活性 炭 由于结
构特征、 性能不同， 去除污染物的能力也存在差异， 因
此可以通过活性炭的结构、 性能指标与水质的化学安全
性指标很好地指导活I 陛炭的选择。
北方某市 DJ 水厂从 1985 年开始使用活性炭 ， 现在
该地 区所有地表水厂均采用 了活性炭深度处理工艺 。 因
此 ， 了解活性炭结构性 能与去除有机 物效果 的关系 ， 对
于指导水厂选炭、 保障出水水质、 降低生产运行成本有
着非同寻常的意义。
1． 试验 方法
该试 验中选择北方某市 DJ水厂正在 运行的 9 个活
性炭池 ， 涵盖 了不 同生产厂家 、 不同使用年 限的活性炭
(均为煤质炭 )， 各炭池信息见下表， 取样 日期为 2009 年
9 月 15 日至 2009 年 9 月 20 日。
表1 活性炭炭池信息表
炭池编号 活性炭生产厂家 运行年限
l DJ水厂A 一 1 华辉炭 2O09．04
DJ 水厂 B_5 山西炭 2004_10
DJ 水厂 C一 1 再生炭 2oo8．03
DJ 水厂 C 一 5 宁夏炭 2008．o5
DJ 水厂 2A 山西炭 200r7．11
DJ 水厂2B一 9 神华炭 20O9．O3
l DJ水厂 2A 一 6 宁夏炭 20o5．10
i D J水厂 3A 一 12 宁夏炭 2o06．11
l DJ水厂3B一 6 山西炭 2008．0 4
测试指标包括 ： DOC 、 三 卤甲烷生成势 、 卤乙酸生
成势、 活性炭颗粒表面特性、 孑 L隙分布。 测试方法如下
表所示 。
表2 试验方法及测试 指标
测试指标 测试方法
耗氧量 酸性高锰酸盐滴定法
D OC 水样通过 0．45ur n 膜过滤后利用有机碳测定仪检测
在 pH 值为 7．0 ：tO．2 的条件下 ，于 (25 ±2) ℃的培
三卤甲烷生成势 养箱中反应 5 d后 ，利用毛细管柱气相色谱法测定
总 TH M 的生成量
在 pH 值为 7．0 ±0．2 的条件下 ，于(25 ±2) ℃的培
卤乙酸生成势 养箱 中反 应 5 d后 ，利用液 相色谱法测定总 H AA s
的生成量
活 性 炭 孔 容 积 、 根 据低 温 氮 吸附 动态 色谱 法 原理 ， 利用 SSA 一
30
00 系列比表面分析仪测定 ( GB ／ T 7702．20- -2008 煤
B ET 比表面积 质颗粒涪 陛炭试验方法孔容积 比表面积的测定
)
活性 炭 的 光 电子 本试 验 采用 的仪 器 型号 为 ： PH IQLl ar屺m SX MTM
能谱
分析 (Scanningx～ r． dyM icroprobeTM )
2 ．结果 与讨 论
2．1活性炭结柯陛能与炭龄的关系分析
从 图 1 可以看 出， 随着炭龄 的延长 ， 活性炭 的 BET
比表面积基本呈下降趋势。
城镇供水 NO ．1 2012 71
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新 擞 1{} 搏叶-擞 2 年凝 3年 冉 嵌 4 j41凝 5年嵌
图1 不 同炭龄活性炭 的B ET [ ；g表面积
0 l 2 3 4 0 6
活性 炭使 用年 限 (年 )
图2 活性炭 的B ET I；k表面积随炭龄 的变化情况
做 BET 比表面积随活性炭使用年限 (计算再生炭再
生前的使用年限 ) 的变化 曲线 ， 结果如 图 2 所示 。 从 图
2 中可以看出，活性炭使用时间越长，BET 比表面积越小，
基本呈反 比例关系 ， 关系 曲线为 “ BET 比表面积 =1269—
98．38 X 年限”。
活性炭 1．7～ 300nm 孔容也基本随使用年限呈下降
趋 势 (除 2 年 活性炭外 )， 见 图 3 所示 。 分析原 因为 ：
随着吸附的进行， 活性炭孔隙吸附的杂质增多， 通道
堵 塞 ， 孔 隙率减小 ， 活性 炭 的比表 面积 和孔容也 逐渐
减小 ，且 比表 面积与孔容存在一定 的相关 图4所示 )。
O ． 7
4
活性
炭使用年 限 (年 )
图3 活性炭的1。7～ 300nm 孔容 随炭龄的变化情况
72 城 镇供水 NO ．1 2012
· 研究 与探讨 ·
60 0 7( M) {j(X} 9IX ) 10(K) 1lIj() I I l X)
比表 面积 (m 2／ g )
图4 比表面积与 1 3OOn m ~L容的关系
图5 不同炭龄活性炭的平均孔径变化情况
从 图 5 可以看出， 沿 陛炭平均孔径与炭龄的关 系不
大 。 因此有必要分析 6 种活性炭的孔容分布情况 (如图
6 所示 )。 从图中可 以看出 ， 除 2 年炭 (山西炭 ) 外 ， 孔
容积基本 随使用年限的增加逐年降低 ， 且 6 种炭龄活性
炭 以 2-4nm 大小 的孔容为 主 ， 且基本在 2．2— 2．5nm 处 出
现最大孔容积 。 同时 ， 活性炭的孔径分布情况还与活性
炭 的生产工艺有关 (与活性 炭厂家有关 )， 这里孔容 积
比较
发达的是 2 年的山西炭 。
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图6 不同炭 龄活性炭 的孔径分布情况
2I 2 不同炭龄活性炭与去除有机物的效果关暌陛分析
2．2．1不 同厂家活性炭对 D OC 去除效果 的对 比
对于 同一 年的炭来说 ， 不 同炭种对 DOC 的去 除作
用也不相同。
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矗≥ 罨恐， ÷
· 研究与探讨 ·
比如 2009 年新炭， 结果如图7。 从图中可知， 神华
炭对 DOC 的平均去 除效 果较为显著 ， 而华 辉炭对 DOC
的平均去除效果较差。
3
2 ． 5
● 2
1 ． 5
口 1
0 ． 5
0
4 O O 黎 350
【)U
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2 5O
2 0 0
1 5 O
华辉炭 神华 炭
图7 不同厂家炭 对D O C 的去 除效果对 比
O 0 ． 2 0 ． -1 0 ．6 0 ． 8 l
棚刺压 (P／ P0 )
图8 不 同厂家炭 的N 吸附等温线
图8 给出了用 N 测量的2 种活性炭的吸附等温线，
相对压力范 围从 0 —0．99。 从 图中可 以看 出， 2 种 炭 的
吸附等温线在相对压力较低的部分都呈上升趋势， 且上
升幅度相差不大 ， 随着相对压力的逐渐增加 ， 2 种炭 的
吸附等温线趋 于平缓 ， 说 明两者 的吸附能力 已经饱 和。
该 曲线表 明两种活性炭的孔隙结构相差不大 (如下图 9
所示 )， 大部分是 5r im 以下的微孔结构。 但是从 比表面
积来说， 华辉炭 1085m 2~ ， 神华炭 1157．1651m 2／ g， 后者
比前者较大。 因此 ， 在孔 容 ／ 径结构相 同的情况下 ， 比
表面积较大 的活性炭对溶解性有机物 (小于 450nm 的有
机物 ) 的吸附效果较好 ， 也 即后者对 DOC 的去除效果较
好 。
对于 1年炭 ， 结果如图 1O。 从 图中可 以看 出 ， 对
于 DOC 的去除效果来看， 再生炭明显高于宁夏炭和山西
炭， 山西炭又高于宁夏炭。
从活性炭的孔容结构上分析原因。 图 11 是三种炭
的 N’ 吸附等温线。 如图所示， 3 种炭的吸附等温线在相
对压力较低的部分都呈上升趋势， 升幅最高的是宁夏活
3 ． 5
3
2 ． 5
2
1 ． 5
l
0 ． 5
0
3
2 ． 5
2
、
1． 5
0星
1
0 ． 5
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囝 均扎 (nm )
华辉炭 }IIj华炭
图9 不 同厂家炭 的孔隙结构情况
冉生炭 宁夏炭 ll1 炭
图10 1年炭龄活性炭对 D O G 的去除效果对 比
性 炭 ， 表明宁夏活性炭 的微 孔很发达 ， 特别是 山西 炭。
随着相对压力的逐渐增加， 三种炭的吸附等温线趋于平
缓 ， 说 明两者的吸附能力 已经饱和。 而再生炭和山西炭
上升比较平缓， 但始终呈上升趋势， 特别是山西炭， 这
说明山西炭 的中孔结 构较 宁夏炭和再生炭均较发达。 比
较三种炭的微孔结构 (<2m )：宁夏炭 > 再生炭 > 山西炭 ；
中孔结构 f2～ l00nm 】： 山西炭 > 宁夏炭 > 再生炭。
4 0 0
雾 350
誉 300
星
一 2 5 0
2 0 0
15 0
O 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8
中 丌 对 力 (P ／ P0)
图11 1年炭龄活性炭的N 2吸附等温线
城镇供水 NO ．1 2012 73
y
O · 4
0 · 35
0 ． 3
≥ 0．25
0 ． 2
0 ． 15
0 ． 1
0 ． 0 5
0 毫 蔓 l_ ∞
十炭 耍炭 II川 炭
图12 1年炭龄活性炭的孔容结构情 况
}If生炭 夏炭 ¨ I 炭
图13 1年炭 龄活性炭 的比表面积 I i
ll … — — jil
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— — j 一 目
1 1 豳 爱霞
『 I}生 炭 夏炭 ll1阳
图14 1年炭 龄活性炭 的平均孔径
三种活性炭 的孔容情况 、 比表面积 、 平均孔径见图
l2～ 14 所示。 从图中可以看出， 虽然宁夏炭比表面积较
大， 但主要 以微：fLtE表面积为主 ， 其平均孔径反而较低 ；
