与孔径相匹配的有机污染物吸附技术及其在高级废水处理中的试点应用

《Water Research》：Pore size-matched adsorption of organic pollutants and its pilot application in advanced wastewater treatment

　　

Baogui Wang|Yingxu Liu|Bowen Hou|Qiang Li|Di Mao|Xiangnan Li|Shanshan Feng|Yunfei Tan|Dongsong Zhao|Hongwei Yu|Zhenao Gu|Chengzhi Hu

中源环境保护有限公司，中国郑州450000

摘要

活性炭吸附是高级废水处理的关键技术，但在长期全规模运行下，控制大分子有机物（如腐殖质）去除的机制仍不清楚。为了阐明控制大分子吸附的结构-性能关系，我们提出了一种孔径匹配策略，通过系统研究不同孔结构的活性炭对腐殖质的吸附情况。结果表明，中孔体积和平均孔径是控制吸附能力的主要因素，而不是比表面积或碘值。在八种商业活性炭中，一种煤基活性炭（AC-Coke-I）表现出优异的性能，其最大腐殖酸吸附量为16.83 mg g^?1。一个中试规模的吸附系统（3000 m³ d^?1）证实了其有效性，初始COD_Mn去除率达到40%，15个月后仍保持13%的去除率，累计吸附能力为30.4 mg-COD_{Mn g^?1。AC-Coke-I还有效去除了新兴污染物，包括抗生素和全氟化合物。经过三次热再生后，吸附能力恢复到新鲜材料的约65%。技术经济分析表明，其平均运营成本为0.019 USD m^?3，远低于臭氧氧化等传统工艺。总体而言，这项工作展示了一种孔径匹配策略，并为设计高效且经济可行的城市废水高级处理吸附剂建立了机制框架。}

引言

随着全球城市化进程的加快和对水环境保护要求的日益严格，城市废水处理的重点已从去除传统污染物转向高级处理和水资源再利用（Hu et al., 2025; Qu et al., 2025）。在这种背景下，深度去除出水中的有机物和新兴污染物已成为关键步骤（Kang et al., 2025; Kirchen et al., 2025; Larasati et al., 2025）。这不仅对于遵守日益严格的排放标准至关重要，而且对于减轻与新兴污染物相关的生态风险和潜在的人类健康影响也必不可少，这些污染物包括抗生素、内分泌干扰物（EDCs）和全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）（Qu and Chen, 2024; Ruyle et al., 2025; Wang et al., 2024）。

在现有的高级处理技术中，吸附因其操作简单、性能稳健和产生的有害副产物少而被广泛应用（Huang et al., 2024; Peterson et al., 2022）。活性炭仍然是最常用的吸附剂，其吸附性能受到孔结构和表面化学性质的强烈影响（Libbrecht et al., 2017; Wang et al., 2026）。然而，在工程实践中，活性炭的选择仍然主要基于传统的批量指标，如碘值、亚甲蓝值和比表面积（Islam et al., 2020; Zango et al., 2024）。虽然这些参数可以提供对小分子化合物吸附的有限见解，但它们往往无法预测在实际复杂水基质中的性能。对于具有广泛分子量分布和复杂化学结构的腐殖质类物质，这种局限性尤为明显（Bhatnagar and Sillanp??, 2017; Guillossou et al., 2020）。因此，标准指标与实际吸附效率之间经常出现不匹配，导致材料选择不佳、运营成本增加以及全规模应用中的过程稳定性降低（Kim et al., 2026）。

这一观察提出了一个根本性问题：控制大分子有机物（如腐殖质）吸附能力的是中孔特性，还是传统指标？活性炭是一种低成本的吸附剂，由褐煤及相关原料制成，由于其发达的中孔结构而最近受到越来越多的关注（Barzegar et al., 2023; Ma et al., 2022; Tetteh et al., 2024）。它与废水中常见的高分子量有机物（如腐殖酸和富里酸）的分子尺寸更为匹配（Islam et al., 2020; Wang et al., 2022）。然而，尚未定量建立孔径分布与吸附能力之间的系统结构-性能关系。此外，大多数现有研究依赖于短期和实验室规模的批次实验，在实际的城市废水处理厂中的连续和长期运行验证有限（Moles et al., 2024）。因此，传统参数和新兴污染物的长期去除效率和衰减行为仍不清楚。

为了解决这些关键知识空白，本研究超越了传统的批量指标，建立了一种基于机制的活性炭选择孔径匹配策略。通过系统地将八种商业活性炭的吸附性能与其物理化学性质相关联，我们证明了中孔体积和平均孔径是控制大分子有机物去除的关键因素。为了在实际条件下验证这一策略，我们在一个城市废水处理厂进行了为期15个月的中试研究（3000 m³ d^?1），提供了关于有机物质和新兴污染物吸附衰减行为的首个长期证据。此外，我们量化了最佳吸附剂的再生能力和技术经济可行性，显示出其运营成本远低于传统高级氧化工艺。总体而言，这项工作引入了一个以孔结构为中心的框架，实现了经济高效的吸附剂选择和可持续的高级废水处理。

章节片段

化学品

选择了一种商业可用的椰壳活性炭（标记为AC-CS）和七种煤基活性炭（标记为AC-Coke-I至AC-Coke-VII）作为代表性吸附剂。它们的基本性质在表S1和S2中总结。所有吸附剂在使用前都进行了干燥。腐殖酸（分析级）购自中国药化试剂有限公司。所有其他化学品均为分析级。实验测试过程中使用了超纯水（18.2 MΩ）。

材料表征

活性炭的物理化学表征

活性炭的基本物理化学性质，包括碘值、粒度和酸基团含量，在表S1-S3中总结。根据传统的吸附性能指标，AC-Coke-I表现出最平衡的整体性能。其碘值达到850 mg g^?1，与广泛使用的椰壳活性炭（AC-CS）相当，表明其孔结构发达。五种代表性活性炭的SEM图像显示

结论

本研究表明，控制大分子吸附的关键结构参数是中孔体积和孔径，而不是传统的指标（如碘值）。这一发现验证了用于吸附剂选择的孔径匹配机制。AC-Coke-I具有分层的孔结构和丰富的表面官能团，被确定为最佳吸附剂。在3000 m³ d^?1的处理能力下进行了15个月的中试运行

CRediT作者贡献声明

Baogui Wang：撰写——原始草案、方法论、研究、正式分析。Yingxu Liu：方法论、研究、正式分析。Bowen Hou：撰写——原始草案、验证、研究。Qiang Li：研究、正式分析。Di Mao：撰写——原始草案、验证。Xiangnan Li：撰写——审稿与编辑、验证。Shanshan Feng：验证、研究。Yunfei Tan：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52388101, 52330001, 52470098）、河南省重点科技计划（241111320500）和北京Nova计划（20250484841）的支持。