活性炭吸附去除自来水中THMs的应用研究

作     者：郭庆龄 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨岳平;梅荣武

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：水质调研 活性炭评价 THMs 静态吸附 动态穿透 装置设计 

摘      要：自来水中普遍含有氯消毒副产物THMs,长期饮用影响人体健康。活性炭吸附技术能够有效去除THMs,但目前市场上活性炭品种繁多,应选择合适的活性炭对THMs进行吸附去除。本文对我国40个城市自来水基本水质及氯消毒副产物THMs调研分析,从安全性能、结构性能及吸附性能三个角度对15种不同品牌不同材质的活性炭进行评价,考察各分析方法的评价相关性与有效性。筛选出4种性能较优的活性炭进行去除自来水中低浓度THMs的效果实验,分别从静态吸附动力学及动态穿透两个方面进行研究,分析吸附速度、吸附平衡时间;根据Freundlich等温吸附线方程拟合活性炭对CHC13、CHC12Br、CHClBr2、CHBr3的吸附容量;研究THMs初始浓度、温度、活性炭种类对吸附过程的影响。在此基础上进行动态穿透实验,分析流量、初始浓度、炭床高度对实际运行的影响,结合实验结果初步设计200L/h的标准10寸活性炭净水器滤芯一级、二级和三级吸附装置。具体研究成果如下:(1)我国城市自来水水质调研分析表明:我国自来水pH值稳定处于7～8之间,符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中6.5～8.5的要求。我国华东、华南、西南、东北地区自来水的总溶解性固体TDS除个别城市外均低于150mg/L,华中、华北、西北地区的自来水TDS相对较高。自来水中氯消毒副产物以CHC13为主,占THMs检测总量60%以上,检测结果均小于60μg/L。从THMs检测值与《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中规定各限值的比值之和来看,水样 HD10、HD11 超过 1,HD14、HD17、HN1、HN2、XB1 接近 1,其余水样符合限值要求。(2)活性炭筛选与评价结果表明:参考我国活性炭净水器相关标准,1-3#、2-1#、3-2#、5-1#、5-2#、8#更适合用作生活饮用水净水炭。木屑炭1-4#、7-2#的微孔最为发达,比表面积最大达到1600m2/g以上,对小分子有机物的吸附效果最好,椰壳炭 1-1#、2-1#、3-1#、5-1#、7-1#、8#次之,比表面积800m2/g;7-1#、7-2#的中孔最为发达,对小分子有机物的吸附速度最快,1-3#、2-2#、3-1#、4#、7-1#次之。活性炭的孔容与比表面积在一定程度上呈正相关性。从孔径来看,椰壳炭1-1#、2-1#、5-1#、8#对小分子有机物吸附效果最好。从15种活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值来看,评价结果与活性炭结构分析结果基本保持一致。(3)活性炭对自来水中THMs的静态吸附动力学分析及动态穿透实验表明:从吸附速率来看,所选4种活性炭对THMs的吸附效果5-1#最好,7-1#次之,7-2#和5-2#较差。从吸附平衡时间来看,吸附开始1h后4种活性炭对THMs基本达到吸附平衡,1h～4h之间吸附缓慢,4h之后基本不再吸附。由Freundlich拟合结果可知活性炭吸附THMs的过程属于非均匀表面吸附。根据Freundlich经验常数K和1/n可知,在实验条件下,活性炭5-1#更适合用于吸附THMs,与第5章活性炭评价结果一致。THMs的初始浓度越大,活性炭的吸附速率越快。在实验条件范围内温度对活性炭吸附THMs的影响很小,温度升高,活性炭对THMs的吸附速率小幅增大。活性炭5-1#对THMs的吸附效果依次为CHBr3CHClBr2CHC12BrCHC13。(4)动态穿透实验结果表明:在实验条件下,进水流量越大,THMs浓度越高,活性炭穿透越快,活性炭吸附容量及容量利用率有少量增加,而炭床高度越大,活性炭穿透越慢,但对活性炭的吸附容量及容量利用率没有明显影响。(5)设定进水浓度为国标限值的2倍即co(CHCl3)=120μg/L进行装置设计计算,装置处理水量设定为200L/h,经过活性炭吸附后THMs各浓度与国标限值的比值之和不超过1即ce≈20 μg/L,按照市售标准10寸净水器滤芯设计,活性炭床利用率为68.4%,一级吸附每4个月更换一次活性炭滤芯,二级吸附每9个月更换一次,三级吸附每15个月更换一次。本研究为如何快速有效选择活性炭提供理论依据,为活性炭吸附去除自来水中THMs的实际应用提供一定的参考。