CN101475237A - 微型柱快速穿透选炭法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型柱快速穿透选炭法，其步骤是：1.活性炭样品处理，2.采用微型穿透柱及试验管路，3.穿透柱填装，4.试验，5.结果分析应用。本发明将颗粒活性炭打碎成微小颗粒，筛分获取某一粒径范围内的活性炭，大大加快了活性炭吸附速度，避免了传统穿透试验中常见的问题，该试验技术操作较简单，用途广泛和设备要求较低，适合在国内大多数试验室中进行。通过对多种污染物质的试验结果，建立了微型柱穿透试验方法的可信性和适用性。这一新方法完善了活性炭水处理研究的试验体系，可降低其应用于水与污水处理的成本，有利于环境保护。

Description

微型柱快速穿透选炭法

技术领域

本发明涉及一种活性炭的选择方法，尤其是一种用小型的实验来模拟大型实验，以达到准确选择活性炭的方法。

背景技术

活性炭是一种具有发达孔隙的吸附剂，有很好的气相、液相吸附效果。活性炭作为一种工业吸附材料广泛应用于气相和液相的吸附净化，在发达国家，活性炭广泛应用于环保行业的水污染治理、空气污染治理及饮用水处理。活性炭吸附技术是水处理中非常有效的一种方法，但是我国水处理中活性炭吸附技术未能大范围推广应用。饮用水(城市自来水)和工业给水处理，多是以天然水为水源，天然水中有机污染物日益增多及其产生的危害，包括对人的健康危害和对工业设备的危害，已经越来越受到人们的重视，当前去除这些有机污染物最可行的方法是利用活性炭吸附处理，因此，国内有关活性炭生产、检测、性能标准及使用的研究也日趋活跃。

活性炭产品种类繁多，各活性炭厂家提供其活性炭产品的一些物理性能指标(例如比表面积、内孔体积、颗粒大小和强度、灰份、水份、装填密度等)和吸附容量性能指标(例如碘值、亚甲基兰、四氯化炭吸附量等)，这些指标虽然都很重要，但是对天然水处理用活性炭来讲，由于活性炭失效后不易再生，经济费用很高，选择高吸附性能的活性炭就可以延长使用寿命，降低经济费用，所以采用更加简洁、方便、准确的活性炭选择方法是非常必要的。目前还没有一种用小型的实验来模拟大型实验，以达到准确选炭的方法。

发明内容

本发明是要提供一种微型柱快速穿透选炭法，用于模拟大型活性炭床的穿透情况，预测处理费用以及精选活性炭，通过对多种污染物质的试验结果，建立微型柱穿透试验方法的可信性和适用性，完善活性炭水处理研究的试验体系，降低其应用于水与污水处理的成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微型柱快速穿透选炭法，具体步骤是：

(1)活性炭样品处理

粉碎颗粒活性炭，筛分收集活性炭颗粒为28-65目数之间的活性炭，用去离子水清洗活性炭，洗去粉末和杂质，直到洗炭水pH没有变化时，将活性炭在105℃下烘干，存放在棕色瓶内；

(2)采用微型穿透柱及试验管路

微型柱穿透采用不锈钢穿透柱，内径为6mm，在试验管路中安装压力设备监测试验过程中压力变化，在进水管路中安装过滤器防止进水堵塞；

先用去离子水作为进水，经进水管路至穿透柱，排出穿透柱中的气泡，当出水流量稳定后，在线检测出水吸光度值，将仪器调零，将进水转换为试验水样，测其吸光度值A0。

(3)填装穿透柱

称取1g的活性炭，放人100mL烧杯中，加入40mL去离子水，搅拌、加热，煮沸10min，排出活性炭微孔内空气，冷却到室温，将活性炭浆加入穿透柱，注意避免产生气泡；

(4)试验

先用去离子水作为进水，经进水管路至穿透柱，排出穿透柱中的气泡，当出水流量稳定后，将进水转换为试验水样，此时开始在线监测出水吸光度，并用记录仪绘出吸光度变化曲线图。当出水吸光度接近进水吸光度，并保持稳定后，停止试验。

(5)数据处理

出水吸光度开始变化的时刻为穿透点，吸光度记为A₁，从进水转换为试验水样开始到穿透点的时间记为t₁；

出水吸光度增大到接近进水吸光度值，并保持稳定时为失效点，吸光度记为A₂，从进水转换为试验水样开始到失效点的时间记为t₂；

计算斜率k：

$k=\frac{A_2-A_1}{t_2-t_1}$

(6)结果应用

按上述方法对不同活性炭进行试验，测出t₂，按t₂进行排序，t₂值越大，表明该活性炭吸附容量越大；当活性炭的吸附容量接近时，再比较K值，k值越大，表明该活性炭吸附层越短。

上述筛分收集活性炭颗粒为45-50目之间的活性炭

上述出水吸光度达到进水吸光度的5％作为穿透点。

上述出水吸光度达到进水吸光度的80％作为失效点。

本发明的有益效果是：

本发明的微型柱穿透试验适用于模拟大型活性炭床的穿透情况，预测处理费用以及精选活性炭，用微型穿透柱和粉碎筛分后的微小颗粒炭，同时采用较小的EBCT。微型柱穿透试验技术包含RSSCT方法中的假设，根据液固传质理论，吸附时吸附质首先通过液膜到达活性炭外表面，吸附速度与液膜扩散速度有关。液膜扩散速度与溶液浓度成正比，浓度越高扩散速度越快。而对于一定质量的活性炭，外部扩散速度与活性炭的外表面积(液膜面积)大小成正比，因外表面积与颗粒直径成反比，所以如果颗粒形状相同，液膜扩散速度与颗粒直径成反比。因此，将颗粒活性炭打碎成微小颗粒，筛分获取某一粒径范围内的活性炭，大大加快了活性炭吸附速度，避免了传统穿透试验中常见的问题，该试验技术操作较简单，用途广泛和设备要求较低，适合在国内大多数试验室中进行。通过对多种污染物质的试验结果，建立了微型柱穿透试验方法的可信性和适用性。这一新方法完善了活性炭水处理研究的试验体系，可降低其应用于水与污水处理的成本，有利于中国的环境保护。

附图说明

图1是活性炭粒径对吸附丹宁酸的微型柱穿透试验影响图；

图2是十种活性炭吸附腐植酸的性能比较图；

图3是各活性炭对腐植酸吸附等温线对比图；

图4是各活性炭对富里酸吸附等温线对比图；

图5是各活性炭对木质素吸附等温线对比图；

图6是各活性炭对单宁酸吸附等温线对比图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的微型柱快速穿透选炭法，包括以下步骤：

(1)活性炭样品处理

粉碎颗粒活性炭，筛分收集一定目数(具体目数根据试验条件确定)如28-65之间的活性炭，用去离子水清洗活性炭，洗去粉末和杂质，直到洗炭水PH没有明显变化时，将活性炭在105℃下干燥12h，存放在棕色瓶内。

(2)穿透柱填装方法

将称重后的活性炭放人100mL烧杯中，加入40mL去离子水，搅拌、加热，煮沸10min，排出活性炭微孔内空气，冷却到室温，将活性炭浆加入穿透柱，注意避免产生气泡。

(3)微型柱及试验管路

微型柱穿透试验采用不锈钢穿透柱，以减少穿透柱壁的吸附干扰，内径为6mm。在试验管路中安装压力设备监测试验过程中压力变化，在进水管路中安装过滤器防止进水堵塞。微型快速穿透试验中使用的活性炭颗粒都为45-50目，这样既加快了试验速度，又保持了颗粒炭的性质。

(4)试验

试验最初使用去离子水作为进水，流量稳定后，确定穿透柱中没有气泡，再将进水转换为试验进水，此时开始在线监测出水吸光度，并用记录仪画出曲线图，从而分析此活性炭的吸附性能^[15]。

(5)结果分析应用

通过对N种活性炭进行微型柱穿透试验进行比较，不但可以确定活性炭吸附技术是否适合净水的处理，而且可以选择出适宜净水的最佳炭型，开发出改良式粗选和精选活性炭的方法，能较好地预测活性炭在水处理中的效果，估算活性炭吸附技术的处理成本。由此可以建立一个简单而有效的活性炭吸附技术应用于水处理的研究方案，以便在一些合适的机会使用。

实施例：

1.活性炭粒径对微型柱穿透试验的影响

由于活性炭颗粒直径对其允许的流速(流量)存在如下关系：

$\frac{V_{\mathrm{SC}}}{V_{\mathrm{LC}}}=\frac{d_{\mathrm{PLC}}}{d_{\mathrm{PSC}}}---(2-1)$

其中：d_p：活性炭粒径

      V：表面溢流速度

      SC：小型穿透柱

      LC：大型穿透柱

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\×V---(2-2)$

其中：Q：流量

      V：表面溢流速度

      d：活性炭柱直径

也即是说，颗粒大小影响吸附速度，也影响其穿透曲线。为了使本试验能在同一条件下对结果进行比较分析，所有试验用活性炭应在同一粒径范围内进行。故本试验之前首先研究活性炭粒径对试验结果的影响，以便确定一最佳的试验用粒径范围。

1.1 操作步骤

(1)本试验所用吸附质为丹宁酸(吸光度A＝0.340)，所用活性炭为正海木质炭

(2)活性炭的处理

①用去离子水清洗活性炭，洗去粉末和杂质，直到洗炭水pH没有明显变化时，将活性炭在105℃下干燥12h，存放在棕色瓶内。

②对炭样进行研磨筛分

③称取1g(±0.1g)活性炭样

(3)预热分光光度计

(4)用一定浓度碱液N_aOH冲洗仪器管道，直至分光光度计显示数值恒定

(5)用无有机物(UV₂₅₄0.000)纯水冲洗仪器管道，直至分光光度计显示值恒定，调零点

(6)将试液丹宁酸泵入试验台，测量出其吸光度，其值为0.340

(7)用无有机物(UV₂₅₄0.000)纯水冲洗仪器管道至零点

(8)装炭后加入试液丹宁酸，开泵运行，直至柱流出液吸光度数值恒定，注意运行中要保持流量稳定(10.60ml/min)，并经常换滤膜

(9)通过记录仪记录试验数据及画出相关曲线

1.2 试验结果分析

由微型快速穿透试验技术可知活性炭颗粒粒径是关联微型快速试验与实际活性炭处理装置的关键因子。试验结果图2。图2分别为其他试验条件相同时，活性炭粒径分别为50-65目、50目、45-50目、45目、28-45目时不同粒径对活性炭吸附丹宁酸的影响。

*式中C₀为吸附质的初始浓度，本试验中是丹宁酸，式中C为经过活性柱后的水中丹宁酸浓度(丹宁酸吸光度A＝0.340)，下同。

将上述不同粒径活性炭吸附丹宁酸的试验结果汇总于同一图上(图1)进行比较。随着活性炭颗粒粒径减小，穿透曲线变得陡峭，曲线斜率加大，这是由于粒径减小，吸附速度加快，传质区变短，更接近理想穿透曲线。

试验的结果表明，在活性炭中，粒径在0.3-0.4mm(即45-50目)内，粒径范围的变化对曲线斜率影响不大，具有最佳代表性。故以后试验中，我们均把活性炭粒径控制在45-50目范围内。

2 活性炭吸附腐植酸的微型柱穿透试验

天然水中天然有机物主要是腐植酸类化合物。本试验用腐植酸作吸附质，对十种活性炭吸附性能进行比较。

2.1 操作步骤

(1)吸附质腐植酸溶液制取方法见2.5.2，本试验用腐植酸吸光度A＝0.267

(2)吸附剂：前述十种活性炭，对其进行处理，步骤为：

①用去离子水清洗活性炭，洗去粉末和杂质，直到洗炭水pH没有明显变化时，将活性炭在105℃下干燥12h，存放在棕色瓶内。

②对某一种炭样进行研磨筛分，取40-45目作试验用炭

③称取1g(±0.1g)左右活性炭样

(3)预热分光光度计

(4)用一定浓度碱液N_aOH冲洗仪器管道，直至分光光度计显示数值恒定

(5)用无有机物(UV₂₅₄0.000)纯水冲洗仪器管道，直至分光光度计显示值恒定，调零点

(6)将吸附质(腐植酸)泵入试验台，测量试液吸光度，其值为0.267

(7)用无有机物(UV₂₅₄0.000)纯水冲洗仪器管道，稳定后调仪器至零点

(8)装炭冲后加入吸附质(腐植酸)，开泵运行，直至吸附柱流出液吸光度数值恒定，注意运行中要保持流量稳定(10.60ml/min)，并经常换滤膜

(9)通过记录仪记录试验数据及画出相关曲线

2.2 试验用天然水中有机物研究样品——腐植酸和富里酸制备步骤

(1)适用范围

本方法适用于制备天然水中有机物研究用的腐植酸和富里酸样品。

(2)仪器、材料和药品

①污染的阴离子交换树脂：可取自水处理系统阴床中受有机物污染的强碱阴树脂或弱碱阴树脂)

②氢氧化钠：化学纯

③氯化钠：化学纯

④盐酸：分析纯

⑤阳离子交换树脂：001×7，用盐酸再生为氢型(再生剂比耗>0.5kg/kg)，并用二级试剂用水充分洗涤，备用

⑥(果壳)颗粒活性炭：取活性炭用蒸馏水洗涤后，用1：10(v/v)盐酸浸泡12h-24h，用二级试剂用水洗至无Cl^-

⑦二级试剂用水：电导率≤0.3μs/cm的二级除盐水

⑧无有机物空白水：二级试剂用水加入H₂SO₄、KMnO₄(按1L水加KMnO₄0.2g、浓H₂SO₄5ml)后进行蒸馏获得的重蒸蒸馏水，或在二级试剂用水(二级除盐的混床出水)中加活性炭静态吸附两天以上

⑨紫外分光光度计：上海精密科学仪器有限公司

⑩石英比色皿：10mm

注射器：玻璃，20ml

微孔过滤器：

微孔滤膜：

0.45μm，使用前用二级试剂用水充分洗涤、浸泡

有机玻璃离子交换柱：

25mm-50mmm，高大于1m

水浴锅

漏斗

定量滤纸

2.3 试验结果

图2为其他试验条件相同时，十种炭样对腐植酸吸附的微型柱穿透试验图。

对十种活性炭吸附腐植酸的穿透曲线进行汇总(图2)，由图可见，当其他条件相同时，不同活性炭对腐植酸的吸附能力不同。按照开始穿透(A/A₀＝5％)时间长短，穿透点与失效点(A/A₀＝80％)之间的时间长短来对活性炭优劣进行排序。开始穿透所历时越长，说明活性炭的制水量较大；穿透点与失效点之间时间越短，说明活性炭的吸附层较短；即活性炭性能越好。依此对炭样进行排序，结果基本相同(表16)。9号炭淮北炭(MB：12ML，TB84％)最好，4号炭振华椰壳炭(碘值900)最差。

表1  通过腐植酸的微型柱穿透试验得出活性炭优劣排序

 

优劣排序	种类	A/A0＝80％，时间(min)	A/A0＝5％，时间(min)
				1	9号淮北炭(MB：12ML，TB84％)	144	6.5
2	8号淮北炭(MB：13ML，TB63％)	118	5.7
				3	10号淮北炭(MB：11ML，TB42％)	99	4.7
4	5号正海木质炭	75	3.6
				5	7号振华杏壳炭(碘值980)	49	4.8
6	6号振华杏壳炭(碘值1000)	42	4.7
				7	2号唐新椰壳炭(高性能)	32	4.5
8	1号上海唐新煤(碘值1000)	22	3.9

 

9	3号唐新椰壳炭(碘值1150)	21	3.8
				10	4号振华椰壳炭(碘值900)	11	3.6

3 活性炭对四种有机物吸附等温线的测定

按照DL/T582-2004“火力发电厂水处理用活性炭使用条例”方法对以上炭样进行测定有机物吸附等温线，实验结果如下：

表2  按对四种有机物吸附等温线比较的方法对吸附剂吸附能力进行判断

 

吸附剂名称	对腐植酸	对富里酸	对木质素	对单宁酸	综合评价
						1#唐新煤质炭	7	7	6	7	7
2#唐新椰壳炭	8	9	8	8	8
						3#唐新椰壳炭	9	8	9	9	9
4#振华椰壳炭	10	10	10	10	10
						5#正海木质炭	6	5	5	5	6
6#振华杏壳炭	5	4	7	4	5
						7#振华杏壳炭	4	6	4	6	4
8#淮北活性炭	2	2	2	2	2
						9#淮北活	1	1		1	1

 

性炭
						10#淮北活性炭	3	3	3	3	3

从表2中可看出，按DL/T582-2004原则选用水处理用活性炭时，选择顺序应该是：9#淮北活性炭，接下来依次为：8#淮北活性炭，10#淮北活性炭，7#振华杏壳炭，6#振华杏壳炭，5#正海木质炭，1#唐新煤质炭，2#唐新椰壳炭，3#唐新椰壳炭，而4#振华椰壳炭是最差的。

4.总结

通过木质素和腐植酸的微型柱穿透实验进行选炭，选出的结果为9#淮北活性炭最好，接下来依次为：8#淮北活性炭，10#淮北活性炭，7#振华杏壳炭，6#振华杏壳炭，5#正海木质炭，1#唐新煤质炭，2#唐新椰壳炭，3#唐新椰壳炭，而4#振华椰壳炭是最差的。选择结果和按照DL/T582-2004原则选用水处理用活性炭的结果相似。具有很好的实用性，此法简单、方便、省时。完全可以代替原来的DL/T582-2004。

Claims (4)

1、一种微型柱快速穿透选炭法，其特征在于，具体步骤是：

(1)活性炭样品处理

粉碎颗粒活性炭，筛分收集活性炭颗粒为28-65目数之间的活性炭，用去离子水清洗活性炭，洗去粉末和杂质，直到洗炭水pH没有变化时，将活性炭在105℃下烘干，存放在棕色瓶内；

(2)采用微型穿透柱及试验管路

微型柱穿透采用不锈钢穿透柱，内径为6mm，在试验管路中安装压力设备监测试验过程中压力变化，在进水管路中安装过滤器防止进水堵塞；

先用去离子水作为进水，经进水管路至穿透柱，排出穿透柱中的气泡，当出水流量稳定后，在线检测出水吸光度值，将仪器调零，将进水转换为试验水样，测其吸光度值A₀。

(3)填装穿透柱

称取1g的活性炭，放人100mL烧杯中，加入40mL去离子水，搅拌、加热，煮沸10min，排出活性炭微孔内空气，冷却到室温，将活性炭浆加入穿透柱，注意避免产生气泡；

(4)试验

先用去离子水作为进水，经进水管路至穿透柱，排出穿透柱中的气泡，当出水流量稳定后，将进水转换为试验水样，此时开始在线监测出水吸光度，并用记录仪绘出吸光度变化曲线图。当出水吸光度接近进水吸光度，并保持稳定后，停止试验。

(5)数据处理

出水吸光度开始变化的时刻为穿透点，吸光度记为A₁，从进水转换为试验水样开始到穿透点的时间记为t₁；

出水吸光度增大到接近进水吸光度值，并保持稳定时为失效点，吸光度记为A₂，从进水转换为试验水样开始到失效点的时间记为t₂；

计算斜率k：

$k=\frac{A_2-A_1}{t_2-t_1}$

(6)结果应用

按上述方法对不同活性炭进行试验，测出t₂，按t₂进行排序，t₂值越大，表明该活性炭吸附容量越大；当活性炭的吸附容量接近时，再比较K值，k值越大，表明该活性炭吸附层越短。

2.根据权利要求1所述的微型柱快速穿透选炭法，其特征在于：所述筛分收集活性炭颗粒为45-50目之间的活性炭。

3.根据权利要求1所述的微型柱快速穿透选炭法，其特征在于：所述出水吸光度达到进水吸光度的5％作为穿透点。

4.根据权利要求1所述的微型柱快速穿透选炭法，其特征在于：所述出水吸光度达到进水吸光度的80％作为失效点。

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