公緒金，姚 鵬，李偉光，陰兆棟，張 旭

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 山西新華化工有限責(zé)任公司，太原 030008)

高效凈水用煤質(zhì)活性炭制備及其凈水效能研究

公緒金1，姚 鵬1，李偉光1，陰兆棟2，張 旭2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 山西新華化工有限責(zé)任公司，太原 030008)

為解決商品微孔型活性炭在水處理中所面臨的問題，利用優(yōu)選煤配煤方案及對(duì)制備工藝的改進(jìn)，調(diào)節(jié)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性能，制備新型凈水用高效活性炭.研究了新型炭的物理化學(xué)特性及其在生物增強(qiáng)活性炭中的凈水效能與功能菌載持能力.結(jié)果表明，使用10%大同煤和90%寧夏煤進(jìn)行配煤，通過活化前氧化及深度活化工藝(GY-4)的引入，工藝GY-4所制備的炭樣CGY-4具有較高的吸附性能指標(biāo)與中孔容積，其碘值為1 185 mg/g，亞甲藍(lán)值為271.8 mg/g，SBET為1 316 m2/g；總孔容積Vtotal為1.149 cm3/g；中大孔率達(dá)到65.59 %.與普通商品炭ZJ15相比，CGY-4所構(gòu)建生物增強(qiáng)活性炭工藝(BC-CGY-4)在長期運(yùn)行過程中對(duì)水中CODMn的處理效果提高了17.35 %；CGY-4表面的生物量比ZJ15平均增加27.97 %.

配煤；活性炭；吸附；活化；孔徑結(jié)構(gòu)；深度處理；生物增強(qiáng)活性炭

各種不同的用途對(duì)于活性炭吸附材料的孔結(jié)構(gòu)和吸附性能的要求是不同的，雖然我國活性炭的產(chǎn)量可以滿足飲用水深度處理的需求，但是從目前水處理中活性炭應(yīng)用情況來看，還存在一些問題，主要包括：1)水處理領(lǐng)域要求活性炭含有較多的(50%～70%)的中孔(2.0～50.0 nm)，但目前廣泛應(yīng)用的微孔型活性炭的吸附性能難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水質(zhì)，其對(duì)水中的天然有機(jī)物的吸附能力有限；2)微孔型商品活性炭對(duì)功能菌的生物載持能力較差，從而造成臭氧-生物增強(qiáng)活性炭(BEAC)等深度處理工藝的生物降解作用與生物再生發(fā)揮的不充分；3)現(xiàn)有凈水用活性炭指標(biāo)評(píng)價(jià)體系不完善[1-4].

為實(shí)現(xiàn)凈水用活性炭的高效性及對(duì)深度處理工藝的適應(yīng)性，新型凈水用高效活性炭的研制得到了國家水污染與治理重大專項(xiàng)“十二五”產(chǎn)業(yè)化課題的支持，旨在通過原料和制備工藝優(yōu)化，調(diào)節(jié)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性能，顯著增加中大孔比例，并提高活性炭顆粒強(qiáng)度和耐磨性能.新型凈水用高效活性炭的預(yù)期指標(biāo)為：1)吸附性能指標(biāo)：碘吸附值 >1 100 mg/g，亞甲藍(lán)吸附值> 250 mg/g；2)物理特性指標(biāo)：總孔容積增加至1.00 cm3/g以上，中孔率> 50 %；3)功能菌載持能力：活性炭表面功能菌載持量增加15%～20 %，化學(xué)需氧量(CODMn)的處理效果提高15 %.

因此，本文通過優(yōu)選優(yōu)質(zhì)煤配煤方案及活性炭制備的改進(jìn)，調(diào)整活性炭吸附性能指標(biāo)和孔隙結(jié)構(gòu)，以顯著增加總孔孔容與中孔率，提高對(duì)水中天然有機(jī)物的吸附效能及功能菌載持能力.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

1.1.1碳素前體物及其工業(yè)分析

研究中選取了三種優(yōu)質(zhì)原料煤作為制備新型煤質(zhì)活性炭的前體物，分別為優(yōu)質(zhì)神府煙煤(SFC)、大同煙煤(DTC)和寧夏無煙煤(NXC)，三種原料煤的工業(yè)詳見表1.

表1 原料煤工業(yè)分析

Mad-水分;Ad-灰分;Vdaf-揮發(fā)分;FCdaf-固定碳.

1.1.2配煤方案及成型料特性

為突破單種煤制備活性炭所存在的孔徑分布不均，活性炭吸附性能不理想等限制，本研究中采用了多種煤配煤方式制備新型煤質(zhì)活性炭.三種原料煤經(jīng)破碎并篩分至細(xì)度為300目，按一定比列進(jìn)行配煤并在200 MPa下擠壓成型，配煤方案及成型料特性詳見表2.

表2 配煤方案及成型料特性

注：% -質(zhì)量百分比.

1.2 配煤方案的選擇及活性炭制備工藝的優(yōu)化

1.2.1配煤方案的優(yōu)選

研究中首先對(duì)常規(guī)壓塊活性炭制備工藝(圖1中工藝GY-1)條件下，不同配煤方案(表2)所制備的活性炭的性能進(jìn)行對(duì)比分析，以確定定向制備新型活性炭的最佳配煤方案.經(jīng)前期小試確定的GY-1主要工藝參數(shù)為：炭化階段升溫速率為5 ℃/min，炭化終溫為600 ℃，并在此溫度下保持20 min；活化劑采用自來水蒸汽活化，活化劑劑量為0.8 mL H2O/·h-1·g-1char，活化溫度為900 ℃，活化時(shí)間為180 min.

圖1 新型活性炭制備工藝

1.2.2新型活性炭制備工藝優(yōu)化

各工藝階段的工藝參數(shù)由前期小試試驗(yàn)結(jié)果確定.以GY-4為例說明新型煤質(zhì)活性炭的制備過程：1)經(jīng)GY-1優(yōu)選的原料煤配煤充分混勻并粉碎至80%以上的混合物通過325目篩，得到混合料；2)向混合料中加入適量焦油作為粘結(jié)劑，使用干法成型設(shè)備在壓力為200～250 MPa的條件下進(jìn)行壓塊，壓塊后粉碎至平均直徑為2～10 mm的塊體；3)將重新壓塊破碎的物料置于回轉(zhuǎn)炭化爐中，在氮?dú)猸h(huán)境下，以5 ℃/min的升溫速率由室溫升溫至450～600 ℃，保溫20～35 min，完成炭化，得到炭化料；4)將炭化料在CO2環(huán)境和溫度為400～550 ℃的條件下氧化處理20 ～40 min；5)然后將炭化料放在活化裝置中，以升溫速率為10～20 ℃/min由室溫升至溫度為850～900 ℃，然后向活化裝置中通入流量為0.6～1.0 mL H2O/·h-1·g-1char的自來水水蒸氣作為活化劑，活化180～240 min；6)繼續(xù)升高溫度至(950±20) ℃，改為使用流量為0.8～1.2 mL H2O/·h-1·g-1char的純凈水水蒸氣作為活化劑，活化30 min后得到活性炭； 7)活性炭產(chǎn)品經(jīng)篩分、酸洗、水洗和烘干后，放置于干燥器中保存.

1.3 活性炭理化特性表征

1.3.1吸附性能指標(biāo)

活性炭樣品的碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、灰分、強(qiáng)度及填充密度等指標(biāo)的測(cè)定依據(jù)《煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法》(GB/T 7702.7-2008、GB/T 7702.6-2008、GB/T 7702.15-2008、GB/T 7702.3-2008、GB/T 7702.4-1997)進(jìn)行測(cè)定[5].

1.3.2表面物理化學(xué)特性表征

活性炭樣品的表面物理形態(tài)采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，物理特征采用ASAP2020M全自動(dòng)比表面積及孔隙度分析儀在77 K下進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量結(jié)果為三組平行樣品的平均值.表面官能團(tuán)采用Boehm滴定法和傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)進(jìn)行測(cè)定.Boehm滴定法以堿標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.05 mol/L)的消耗量為表面酸性官能的探針，并使用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.05 mol/L)的消耗量來表征PAC表面的堿性基團(tuán).紅外光譜采用SPECTRUM ONE B型紅外光譜儀進(jìn)行分析，測(cè)量中采用溴化鉀和PAC壓片法，掃描范圍為4 000～400 cm-1.

如圖2所示，以1.2所優(yōu)選的新型炭(CGY-4)構(gòu)建了生物增強(qiáng)活性炭試驗(yàn)柱(1#：BC-CGY-4)和普通活性炭(2#：C-XHIT).并以商品活性炭ZJ15作為對(duì)比炭種，構(gòu)建了ZJ15的生物增強(qiáng)與普通生物活性炭柱，分別為標(biāo)記為3#：BC-ZJ15和4#：C-ZJ15).各組試驗(yàn)柱均采用降流式運(yùn)行，試驗(yàn)原水為松花江水源水經(jīng)砂濾預(yù)處理后的出水，試驗(yàn)期間CODMn在4.5～5.5 mg/L，濁度為1～3 ntu，水溫隨室溫變化.各濾柱的主要參數(shù)為：直徑5 cm，高1.80 m，炭床高度1.20 m，空床接觸時(shí)間25 min.其中，1#和3#柱進(jìn)行了復(fù)合功能菌的負(fù)載，復(fù)合功能是以最近發(fā)現(xiàn)的新菌-哈爾濱不動(dòng)細(xì)菌(AcinetobacterHarbinensisHITLi7)為主體構(gòu)建的.功能菌固定化過程采用發(fā)酵菌劑，菌液光密度OD600達(dá)到0.74時(shí)將發(fā)酵后的菌種用間歇循環(huán)法固定在活性炭上，循環(huán)3 h，間歇3 h為一個(gè)周期，共進(jìn)行4個(gè)周期.

注：1#-C-CGY-4；2#-B-HIT；3#-C-ZJ15；4#-BC-ZJ15圖2 生物增強(qiáng)活性炭工藝反應(yīng)器工藝圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 配煤方案對(duì)活性炭性能的影響

大量研究表明，以煤為原料定向制備活性炭的關(guān)鍵技術(shù)在于：優(yōu)質(zhì)原料煤的配煤優(yōu)化、炭化和活化過程的調(diào)控.其中，多種優(yōu)質(zhì)煤配煤可以在一定范圍內(nèi)改善活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)，提高活性炭的吸附性能.因此，本文考察了配煤方案對(duì)活性炭炭化料及活性炭產(chǎn)品的性能的影響.

2.1.1配煤方案對(duì)炭化料特性的影響

有機(jī)化合物加熱處理時(shí)形成碳素前驅(qū)體的低溫炭化過程(<600 ℃)，對(duì)炭素材料的微晶結(jié)構(gòu)有決定性影響作用，炭素前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)決定了進(jìn)一步加熱處理時(shí)的高溫型結(jié)構(gòu)[6-7].因此，本文首先對(duì)

常規(guī)壓塊活性炭制備工藝條件下(圖1中工藝GY1)，不同配煤方案制備的炭化料的主要指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3.

表3 炭化料特性

對(duì)比表2中成型料的特性可知，在前期小試所確定的炭化工藝條件下(升溫速率5 ℃/min，炭化終溫600 ℃，保溫20 min)，五種配煤方案獲得的炭化料的揮發(fā)分和水分含量明顯降低，這主要是由于炭化過程中，原料煤中的有機(jī)成經(jīng)炭化過程分解，并以氣態(tài)形式逸出所造成的.炭化料的灰分含量較成型料明顯上升，其中NX80-SF20和NX70-SF30方案所得的炭化料灰分含量增加最為明顯，灰分含量分別增加了129.8 %和76.38 %，主要由原料煤所含的無機(jī)成分在炭化過程中產(chǎn)生的金屬及類金屬氧化物組成的.填充密度和強(qiáng)度是影響活性炭品質(zhì)的重要指標(biāo)，在一定程度上絕對(duì)了活性炭的使用量及使用[8-9].經(jīng)炭化過程后，炭化料的填充密度較成型料有了一定程度的下降，除SFC-100方案的炭化料填充密度(542 g·L-1)下降了12.58%外.由于寧夏煤(NXC)比重在配煤方案中處于優(yōu)勢(shì)地位，其他四種配煤方案炭化料的填充密度下降幅度相對(duì)較低(<6%).其中DT10-NX90方案的炭化料填充密度最高(653.7 g/L)，DT30-NX70方案次之(646.5 g/L).炭化料的強(qiáng)度同樣也以DT10-NX90(96.7 %)和 DT30-NX70方案較優(yōu)(93.10%).

盡管李家田對(duì)傳統(tǒng)界畫贊美有加，但是在自己創(chuàng)作時(shí)他卻偏偏打破界畫所帶來的平衡與和諧。把不可思議的人物、地點(diǎn)、時(shí)間和空間交織在一起，表現(xiàn)神秘莫測(cè)、如夢(mèng)如幻和脫離了現(xiàn)實(shí)的潛意識(shí)中的某種心理狀態(tài)。這些意象在時(shí)空交織與轉(zhuǎn)換的世界里，不受意識(shí)和理性的制約，可謂天馬行空。這種場(chǎng)面的反差似乎更能突顯那種荒誕感，更易于表達(dá)藝術(shù)家深刻的思想。藝術(shù)家把不可思議的反常的意象組合在一起，似乎直指心靈中最神秘的剎那之感。這就擺脫了傳統(tǒng)繪畫創(chuàng)作中的合邏輯性與合目的性，走向了反邏輯與非理性。由此來看，李家田想要在虛與實(shí)、夢(mèng)境與現(xiàn)實(shí)之間保持平衡，用隱喻的方式表達(dá)人們那種荒誕的心理體驗(yàn)。

2.1.2配煤方案對(duì)活化料性能的影響

原料煤經(jīng)配煤及炭化過程后形成初始的孔隙結(jié)構(gòu)，并具備一定的填充密度、強(qiáng)度和灰分，尚需經(jīng)過適宜的活化過程才能產(chǎn)生具有高度發(fā)達(dá)的孔徑結(jié)構(gòu)分布的煤質(zhì)活性炭[10].因此，繼續(xù)考察了2.1.1所獲得的炭化料經(jīng)蒸汽活化(900 ℃)后主要性能指標(biāo)變化，結(jié)果見圖3.

圖3 配煤活性炭品質(zhì)的影響

結(jié)果表明，SFC-100和DT10-NX90方案的活性炭碘吸附值均大于1 100 mg/g，滿足本研究對(duì)碘吸附值的限制值.最高的亞甲藍(lán)吸附值由方案DT10-NX90獲得(238 mg/g)，但低于研究設(shè)定值(250 mg/g).碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值值間接反映了活性炭產(chǎn)品的微孔及中孔容積，這說明DT100-NX90方案所得的活性炭保持了較好的微孔和中孔孔徑分布.另外，經(jīng)高溫活化后，活性炭的填充密度較活化料進(jìn)一步降低， DT30-NX70與DT10-NX90的填充密度相對(duì)較高.這說明DTC和NXC的配煤方案確保了炭化料及活性炭產(chǎn)品的填充密度處于較高水平.另外，五種方案的炭化料經(jīng)活化后，其強(qiáng)度雖有一定程度的下降，但總體處于接近水平.綜上所述，研究中根據(jù)碘吸附值、亞基藍(lán)吸附值及填充密度等水平的高低，確定了DT10-NX90為最佳配煤方案，后續(xù)工藝優(yōu)化研究將圍繞該方案開展.

2.2 新型凈水高效煤質(zhì)活性炭制備工藝優(yōu)化

以DT10-NX90方案進(jìn)行壓塊法制備煤質(zhì)活性炭工藝流程設(shè)計(jì)，以獲得達(dá)到設(shè)定條件的新型活性炭.本研究在常規(guī)工藝GY-1的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三種新型制備工藝(GY-2至GY-4).如圖4所示，GY-2和GY-3分別引入了活化前預(yù)氧化和深度活化工藝，GY-4是GY-2和GY-3的組合，四種工藝所制備的活性炭樣品分別標(biāo)記為CGY-1，CGY-2，CGY-3和CGY-4.

圖4 制備工藝對(duì)活性炭性能指標(biāo)的影響

圖3中對(duì)比了四種工藝所制備的活性炭樣品的主要吸附性能指標(biāo).結(jié)果表明，與常規(guī)炭化-活化工藝(GY-1)相比，活化前氧化(GY-2)或深度活化(GY-3)階段的引入使得活性炭產(chǎn)品的碘吸附值有了進(jìn)一步的提高，CGY-2和CGY-3的碘吸附值分別增加至1 143 mg/g和1 137 mg/g.這表明氧化工藝對(duì)活性炭孔徑的發(fā)育有著促進(jìn)作用，這主要是因?yàn)檠趸A段促進(jìn)了取向差、難石墨化的炭化物的生成，利于活化階段造孔[11].但CGY-2的亞甲藍(lán)吸附值較CGY-1降低了7.22 %，這說明活化前氧化工藝促進(jìn)了微孔結(jié)構(gòu)的發(fā)育，但常規(guī)活化工藝并未對(duì)豐富的微孔產(chǎn)生明顯的擴(kuò)孔作用[12].而深度活化工藝的引入，使得CGY-3的亞甲藍(lán)吸附值增加至245 mg/g，較CGY-1增加了8.41 %，這表明深度活化工藝將有利于活性炭中孔的發(fā)育，并保持了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu).因此，作為GY-2和GY-3的組合形式，GY-4獲得的活性炭樣品CGY-4的碘吸附值(1 185 mg/g)和亞甲藍(lán)吸附值(271.8 mg/g)都有較為明顯的增加.與CGY-1相比，CGY-4的碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值分別增加了7.43 %和20.27 %.就碘值和亞甲藍(lán)吸附值而言，炭樣CGY-4已經(jīng)滿足研究設(shè)定值.灰分增加是CGY-2/3/4所出現(xiàn)的共同現(xiàn)象，這主要是活化前氧化和深度活化工藝使得炭表面的氧化或燒失率增加所導(dǎo)致的.CGY-4的填充密度和強(qiáng)度雖略有下降，但均保持了較高的數(shù)值，分別為433.8 g/L和95%.因此，GY-4所制備的CGY-4滿足了研究對(duì)吸附性能指標(biāo)的要求：1)碘吸附值=1 185 mg/g > 1 000 mg/g；2)亞甲藍(lán)吸附值=271.8 mg/g > 250 mg/g；3)強(qiáng)度>90%；4)填充密度=433.8 g/L.CGY-4的性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于GB/T7701.2-2008及GB50013-2006對(duì)一級(jí)活性炭的指標(biāo)要求.后續(xù)研究將繼續(xù)考察CGY-4的物理特性指標(biāo)是否可以滿足設(shè)定值的要求.

2.3 新型活性炭的表面物化特性表征

炭樣CGY-4的比表面積與孔徑結(jié)構(gòu)分布特征如圖5和表4所示.結(jié)果表明，SEM圖像表明CGY-4表面粗糙，存在各種類型的孔洞，孔洞數(shù)量較多.CGY-4的吸附-解吸等溫線呈現(xiàn)典型的IV型等溫線，存在明顯的解吸回滯曲線[13]，這表明CGY-4形成了發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)，孔徑結(jié)構(gòu)分布參數(shù)同樣證明了這一現(xiàn)象：1)CGY-4具有較大的比表面積：SBET=1 316 m2/g；2)總孔容積Vtotal=1.149 cm3/g；3)中孔容積VMes=0.754 cm3/g，中孔率=65.59 %，表明CGY-4具有發(fā)達(dá)的中孔孔隙結(jié)構(gòu)；4)大孔容積Vmarc= 0.106 cm3/g.以上數(shù)據(jù)都充分證明了CGY-4具有發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)，發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)將有利于功能菌的表面負(fù)載.為進(jìn)一步明確CGY-4對(duì)水中有機(jī)污染物的吸附能力，研究中對(duì)CGY-4的表面吸附點(diǎn)位官能團(tuán)進(jìn)行了分析.由表3可知，CGY-4含有較高含量的酸性官能團(tuán)，其中羧基基團(tuán)含量最大，酚羥基次之，內(nèi)酯基含量最低.另外，CGY-4也含有豐富的堿性基團(tuán).豐富的表面官能團(tuán)將保障CGY-4對(duì)水中有機(jī)污染物的高效吸附位點(diǎn)[14-16].

圖5 CGY-4的SEM掃描電鏡及孔徑分布特征(SEM及N2吸附-解附等溫線及孔徑分布)

表4 炭樣表面積、孔徑結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)參數(shù)

2.4 新型炭的凈水效能及功能菌載持能力

2.4.1有機(jī)物去除效能對(duì)比

圖6表示的是新型炭和普通商品炭所構(gòu)建的生物增強(qiáng)活性炭(BC-CGY-4，BC-ZJ15)和普通活性炭濾柱(C-CGY-4，C-ZJ15)對(duì)CODMn的去除效能曲線.圖6表明，四組濾柱的出水CODMn隨通水倍數(shù)的增加均呈不斷上升趨勢(shì).對(duì)比濾柱C-CGY-4和C-ZJ15可知，濾柱C-CGY-4對(duì)水中CODMn的去除效能更佳，C-CGY-4出水CODMn在0.75至1.50 mg/L之間變化，遠(yuǎn)低于國標(biāo)限制值(3.0 mg/L).而濾柱C-ZJ15出水CODMn則在1.50～2.25 mg/L之間變化，并且在通水倍數(shù)達(dá)到6 800 時(shí)，出水CODMn開始大于2.0 mg/L.并且，在運(yùn)行周期內(nèi)濾柱C-CGY-4對(duì)COD的平均去除率比C-ZJ15高15.31 %.生物增強(qiáng)作用的引入，提高了新型炭及普通商品炭對(duì)COD的去除效能，BC-CGY-4對(duì)CODMn的平均去除率比C-CGY-4增加了9.30%，當(dāng)通水倍數(shù)達(dá)到12 000時(shí)，C-CGY-4的出水CODMn依然低于1.50 mg/L.BC-ZJ15對(duì)CODMn的平均去除率比C-ZJ15增加了7.89 %，出水CODMn大于2.0 mg/L所對(duì)應(yīng)的通水倍數(shù)增加至9 800.但BC-ZJ15對(duì)CODMn的整體去除效能依然低于濾柱C-CGY-4.

圖6 各組濾柱隨通水倍數(shù)的運(yùn)行曲線

總體而言，使用新型炭構(gòu)建的生物增強(qiáng)活性炭工藝(BC-CGY-4)比普通活性炭構(gòu)建BC-ZJ15工藝對(duì)水中有機(jī)物的處理效果提高了17.35 %，達(dá)到了本研究所設(shè)定的15 %的限定值.BC-CGY-4對(duì)CODMn的平均去除率比C-ZJ15高了25.04 %.C-CGY-4對(duì)COD的平均去除率比C-ZJ15高15.31%， 這表明CGY-4所具有的較高總孔/中孔容積(Vtotal=1.149 cm3/g，VMes=0.754 cm3/g)及豐富的表面官能團(tuán)保證了濾柱C-CGY-4對(duì)水中CODMn的高效控制.

2.4.2生物載持量變化特性

研究中對(duì)比了長期運(yùn)行過程中BC-CGY-4和BC-ZJ15濾柱中活性炭上的生物量變化情況，以評(píng)價(jià)CGY-4和ZJ15的功能菌載持能力.圖7是不同運(yùn)行階段CGY-4和ZJ15表面的生物量變化情況.結(jié)果表明，隨著通水倍數(shù)的增加，濾柱BC-CGY-4和BC-ZJ15中活性炭表面的生物量呈增長并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì).對(duì)比不同通水倍數(shù)下活性炭表面的生物量，炭CGY-4表面的生物量明顯高于ZJ15.

圖7 生物量變化特征

3 結(jié) 論

本文通過優(yōu)選配煤、活化前氧化及深度活化工藝制備的炭樣CGY-4，已達(dá)到本研究所設(shè)定的關(guān)于“高效凈水用煤質(zhì)活性炭”的各項(xiàng)指標(biāo)：

1)吸附性能指標(biāo)：碘吸附值=1 185 mg/g > 1 000 mg/g；亞甲藍(lán)吸附值=271.8 mg/g > 250 mg/g；強(qiáng)度>90 %；填充密度=433.8 g/L；

2)物理特性指標(biāo)：CGY-4具有較大的比表面積：SBET=1 316 m2/g；總孔容積Vtotal=1.149 cm3/g；中大孔率=65.59 %；

3)處理效能及功能菌載持能力： BC-CGY-4比BC-ZJ15對(duì)水中CODMn的處理效果提高了17.35 %；CGY-4表面的生物量比ZJ15平均增加27.97 %.

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Procedure optimizations and characterizations of new-type high-efficient activated carbon used in drinking water purification

GONG Xu-jin1, YAO Peng1, LI Wei-guang1, YIN Zhao-dong2, ZHANG Xu2

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China;2. Shanxi Xinhua Chemical Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

Activated carbon (AC) is significant media in establishing a well performed bio-enhanced AC filter (BEAC). It requires abundant mesoporous pores in terms of high absorption capacity for macromolecular substances, suitable surface environment for multiplication and biodegradation of functional bacteria. Aiming at regulating pore structure and adsorption property to overcome shortages of the commercial microporous AC in water purification, optimizations of coal-blending and preparation procedure were conducted. An innovative high-efficient activated carbon was prepared by innovative procedures using optimal coal-blending as precursor. Surface chemical and physical properties and long-term performance of the new-type carbon in bio-enhanced activated carbon (BEAC) were investigated. Results suggested that coal-blending of Datong Coal (10%) and Ningxia Coal (90%) was identified as the optimal scheme. Combination of oxidation and depth-steam-activation were introduced in procedure GY-4. Carbon sample CGY-4 obtained from GY-4 achieved higher iodine number (1 185 mg/g), methylene blue (271.8 mg/g), BET surface area (1 316 m2/g), total pore volume (1.149 cm3/g) and mesoporous porosity (65.59 %). In comparison with commercial GAC (ZJ15), CGY-4 performed better in BEAC process (BC-CGY-4) with higher removal efficiencies of CODMnand higher levels of ATP biomass, increasing by 17.35 % and 27.97 %, respectively. Therefore, carbon CGY-4 was identified as an optimal biological carrier and adsorbent.

coal blending; activated carbon; activation; adsorption; pore structure; advanced treatment; bio-enhanced activated carbon (BEAC)

2014-10-20.

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2011ZX07415-001)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目(GA13C302)

公緒金(1985-)，男，博士，工程師，研究方向：飲用水深度處理及活性炭?jī)羲牧?Email：kimkung@126.com

TQ 028

A

1672-0946(2015)03-0315-08