活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭對超濾膜脫磷的影響

　　地表水中存在多種污染物，難以通過單個(gè)過程進(jìn)行處理和純化。處理地表水的一種方法是將膜技術(shù)與另一種單元工藝相結(jié)合，例如吸附或離子交換。為了更好的處理被污染的地板上，我們評估了集成吸附/超濾膜過濾系統(tǒng)同時(shí)去除磷酸鹽和溶解有機(jī)物的能力。比較活性炭和浸漬無定形亞鐵水合物吸附劑(水鐵礦浸漬活性炭)對磷酸鹽的吸附能力。

　　混合吸附-膜過濾過程的性能很大程度上取決于幾個(gè)因素，例如吸附劑(活性炭)用量，吸附劑與膜孔的相對大小，膜特性，反吹頻率，反應(yīng)器尺寸和配置，過濾模式以及溶解有機(jī)物濃度的特性。使用鐵浸漬的活性炭吸附劑去除溶解有機(jī)物和有機(jī)污染物也有人試驗(yàn)過。為防止孔堵塞或內(nèi)孔收縮，吸附劑的尺寸應(yīng)為約50毫米。比膜孔的大小大2-3個(gè)數(shù)量級，盡管較小的活性炭顆粒比較大的活性炭能更好地吸附污染物，但它們也引起更大的通量膜的通過率下降。顆粒電荷也是混合吸附/膜過濾系統(tǒng)性能的一個(gè)因素。

　　膜過濾工藝

　　截留分子量的聚丙烯腈超濾膜過濾實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。使用前，將膜置于去離子水中24小時(shí)以去​​除任何濕潤劑和生產(chǎn)殘留物。膜過濾測試是在可重復(fù)使用的聚砜膜過濾器中恒定跨膜壓力下進(jìn)行的。由在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)滲透通過膜的水量計(jì)算出濾液通量。在過濾實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將活性炭或水鐵礦浸漬活性炭添加到過濾室中。蠕動泵將給水送入上部腔室。使用曝氣裝置使吸附劑保持懸浮狀態(tài)并支持微生物活性。并行進(jìn)行了兩個(gè)臺式過濾測試。隨著膜結(jié)垢的發(fā)展，膜總阻力的增加和濾液通量的下降，進(jìn)行了測量。由測得的通量和恒定跨膜壓力數(shù)據(jù)計(jì)算出水力阻力。當(dāng)濾液通量降至初始通量的60%以下時(shí)，用去離子水反沖洗以清潔膜，這樣做是為了消除膜表面上的可逆結(jié)垢，并使膜具有更長的運(yùn)行時(shí)間。

　　圖1：混合吸附和膜系統(tǒng)的示意圖。

　　活性炭和水鐵礦浸漬活性炭的特性

　　水鐵礦浸漬活性炭顆粒表面似乎具有比活性炭顆粒低的表面粗糙度，這是由于無定形亞鐵水合物納米顆粒截留在活性炭孔中。橫截面SEM圖像以及鐵、氧和二氧化硅含量的元素分布圖如圖2所示。設(shè)備掃描了代表性碳顆粒的一個(gè)橫截面。將白線繪制到這些圖像中以指示單個(gè)活性炭或水鐵礦浸漬活性炭顆粒的可能輪廓。在活性炭顆粒上，未檢測到鐵信號，但明顯的氧氣和二氧化硅信號明顯，表明存在二氧化硅在活性炭內(nèi)。水鐵礦浸漬活性炭顆粒中存在大量的氧元素，其中一些分布在表面。在外表面周圍均檢測到鐵和氧信號(亮綠色和紅色)。帶有元素映射的SEM-EDS分析反映了活性炭表面上氧化鐵的浸漬。

　　圖2：帶有鐵，氧和二氧化硅的的活性炭和浸漬活性炭的SEM-EDS圖像。

　　磷酸鹽吸附動力學(xué)和等溫線

　　磷酸鹽吸附到活性炭和浸漬活性炭吸附劑上的曲線隨時(shí)間的變化在圖3a示出。觀察到磷酸鹽分子從液相快速擴(kuò)散到吸附劑表面，因?yàn)槲�附量隨時(shí)間增加，直到分別在活性炭和浸漬活性炭分別在5分鐘和60分鐘后達(dá)到平衡為止。如所預(yù)期的，兩種吸附劑表現(xiàn)出不同的吸附行為。活性炭和浸漬活性炭的最大除磷效率分別為15.2%和91.4%。水鐵礦浸漬活性炭較高的磷酸鹽吸附率的可能原因可能是吸附劑表面帶有更多的負(fù)電荷，這可以排斥溶液中帶負(fù)電荷的磷酸鹽，尤其是無機(jī)磷酸鹽。因此，浸漬換頭像顆粒表面的鐵顆粒有助于屏蔽天然的負(fù)表面電荷，并促進(jìn)吸附劑顆粒與磷酸根離子之間的相互作用。再有測試發(fā)現(xiàn)磷酸吸附到浸漬活性炭是由化學(xué)吸附的過程。

　　圖3：(a)磷酸鹽在活性炭和浸漬活性炭上的吸附動力學(xué)，以及(b)對磷酸鹽的吸附等溫線。

　　活性炭對超濾膜脫磷的影響，經(jīng)過系統(tǒng)地研究了浸漬鐵的活性炭與膜過濾結(jié)合使用時(shí)的吸附效果。水鐵礦浸漬使活性炭具有同時(shí)吸附磷酸鹽和有機(jī)物的能力，從而略微減輕了生物膜相關(guān)物質(zhì)對膜的污染。因此，由不可逆結(jié)垢引起的跨膜阻力受到限制，有助于介導(dǎo)跨膜通量的下降，并使得通過反吹回收通量成為可能。

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