改良活性炭在减少淡水消毒副产物方面的中试规模评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pilot-scale assessment of modified activated carbon for minimizing disinfection by-products in freshwater

氯酸盐和亚氯酸盐的改性活性炭吸附技术研究及其工业应用潜力。

　　水的净化是保障人类饮用水安全、保护公众健康和生态环境的重要环节。在当前的饮用水处理过程中，氯化和二氧化氯是最常见的消毒手段，这些方法因其高效性和成本效益而被广泛采用。然而，它们在去除有害物质的同时，也可能产生一些潜在的副产物，例如氯酸盐（ClO??）和亚氯酸盐（ClO??）。这些副产物虽然在某些情况下毒性较低，但近年来的研究表明，它们可能与慢性健康问题相关，例如激素紊乱或高铁血红蛋白血症。因此，如何有效去除这些副产物成为饮用水处理领域的一个关键挑战。

为了应对这一问题，研究人员提出了一系列后氯化技术，包括离子交换、膜分离、还原剂处理、生物反应器和异质催化等。尽管这些技术在实验室条件下表现良好，但在实际应用中却面临实施复杂、维护成本高和耐久性不足等问题。这促使科学界寻求更高效、经济且易于操作的替代方案。在这一背景下，吸附技术因其低成本和高效率而被认为是一种极具潜力的方法。特别是，粒状活性炭（GAC）在吸附多种有害污染物方面表现出色，但其对氯酸盐和亚氯酸盐的去除能力相对较弱。

为了提升GAC对这两种副产物的吸附能力，研究团队对GAC进行了改性处理，采用了一种基于烷基季铵盐的表面活性剂——十六烷基吡啶氯化物单水合物（CPC）。通过优化反应条件，包括GAC与CPC的摩尔比例、反应时间和搅拌方式，成功地实现了CPC@GAC材料的规模化合成，并将其应用于实际的饮用水处理试点工厂。这一研究不仅验证了CPC@GAC在实验室条件下的有效性，还进一步证明了其在工业规模下的可行性。

在实验过程中，研究团队构建了一个0.21立方米的吸附柱床，使用CPC@GAC材料进行处理。通过连续水流实验，测试了不同空床接触时间（EBTC）下的吸附效果。结果显示，在EBTC分别为3.9、5.2、7.8和15.5分钟的情况下，CPC@GAC材料在达到50%饱和时间（t??%）方面表现优异，分别为6.0、22.9、22.0和54.8天。相比之下，未改性的GAC在相同条件下仅能在4天内达到50%的吸附饱和度。这一显著提升表明，CPC@GAC在实际饮用水处理中具有广泛的应用前景。

除了对氯酸盐和亚氯酸盐的去除能力，CPC@GAC还展示了对其他常见阴离子（如硝酸盐、硫酸盐、氟离子和氯离子）的吸附潜力。在实验中，CPC@GAC材料表现出对硝酸盐和硫酸盐的高效吸附能力，其吸附时间明显长于未改性的GAC。此外，该材料在实际运行条件下表现出良好的稳定性，能够有效避免表面活性剂的泄漏，确保处理过程的安全性。这些特性不仅提高了吸附效率，还降低了二次污染的风险。

为了确保CPC@GAC材料的性能，研究团队对其进行了详细的物理化学表征。通过热重分析（TGA）和氮气吸附法（N? sorption isotherms），验证了表面活性剂在材料中的分布情况。结果显示，CPC主要分布在GAC的外部表面和内部孔隙中，而TGA曲线进一步表明，表面活性剂的分解发生在特定温度范围内，证实了其在材料中的牢固结合。此外，通过元素分析（EA）和表面表征技术，研究团队还确认了CPC@GAC材料的表面活性剂负载量，以及其在不同条件下的吸附能力。

在实际应用中，CPC@GAC材料不仅表现出优异的吸附性能，还具有良好的再生能力。实验表明，该材料在经过四次吸附-脱附循环后，仍能保持较高的去除效率。这一特性使得CPC@GAC在长期运行中具有更高的经济性和可持续性。同时，研究团队还对材料的生产成本进行了评估，发现其在规模化生产中具备较高的空间时间产量（STY），表明该材料的制备过程不仅高效，而且经济可行。

从更广泛的角度来看，这项研究的意义不仅在于提供了一种新的吸附材料，还在于它成功地将实验室创新与实际工业应用相结合。通过优化反应条件并实现材料的规模化合成，研究团队为饮用水处理行业提供了一种切实可行的解决方案。这种改性活性炭材料不仅能够有效去除氯酸盐和亚氯酸盐，还能处理其他常见的水污染物，从而满足日益严格的水质标准。

此外，CPC@GAC材料的使用还符合当前环保和可持续发展的趋势。其制备过程无需消耗额外能源，且所使用的溶剂均为无害物质，这使得该技术在环保方面具有显著优势。同时，由于其在实际运行中的稳定性和高效性，该材料有望在未来被广泛应用于饮用水处理设施，进一步提升水质安全水平。

综上所述，CPC@GAC材料的开发和应用为饮用水处理提供了一种新的解决方案。它不仅克服了传统GAC对氯酸盐和亚氯酸盐去除能力不足的缺点，还具备良好的经济性和环境友好性。随着全球对水质安全的关注日益增加，这种改性活性炭材料有望在未来的饮用水处理技术中发挥重要作用。