碘值

碘值是指活性炭在0.02N12/KL水溶液中吸附的碘的量。碘值与直径大于10A的孔隙表面积相关联,碘值可以理解为总孔容的一个指示其器。

糖蜜值

糖蜜值是测量活性炭在沸腾糖蜜溶液的相对脱色能力的方法。糖蜜值被解读为孔直径大于28A的表面积。因为糖蜜是多组分的混合物，必须严格按照说明测试本参数。糖蜜值是用活性炭标样和要测试的活性炭的样品处理糖蜜液，通过计算过滤物的光学密度的比率而得。

堆积重

堆积重是测量特定量炭的质量的方法。通过逐渐把活性炭添加一个有刻度圆桶内至100cc，并测量其质量。该值被用于计算填充特定吸附装置所需活性炭数量。简单地说，堆积重是活性炭每单位体积的重量。

颗粒密度

颗粒密度是每单位体积颗粒炭的重量，不包括颗粒以及大于0.1mm裂隙间的空间。颗粒密度是用水银置换来测定的。

四氯化碳

四氯化碳值是总孔容的指示器，是用饱和的零摄氏度的CCI4气流通过25度的炭床来测量的。在规定的时间间隔内，测量被吸附的CCI4的重量直到样品的重量变化可以忽略不计为止。

xx

亚甲蓝值是指1.0克炭与1.0 mg／升浓度的亚甲蓝溶液达到平衡状态时吸收的亚甲蓝的毫克数。

硬度

硬度是测量活性炭机械强度的指标。重量的改变，用百分比表示。更确切地讲，硬度值是指颗粒活性炭在RO-TAP仪器中对钢球衰变运动的阻力。在炭与钢球接触过以后，通过利用筛子上的炭的重量来计算硬度值。

磨损值

磨损值是测量活性炭的耐磨阻力的指标。该实验测量MPD的变化，通过百分比来表示。颗粒活性炭的磨损值说明颗粒在处理过程中降低颗粒的阻力。它是通过在RO_TAP机器中将炭样品和钢球接触，测定最终的颗粒平均直径与原始颗粒的平均直径的比率来计算的。丁烷值

丁烷值是饱和空气与丁烷在特温度和特定的压力下通过炭床后，每单位重量的活性炭吸附的丁烷的量。

灰分

活性炭中包含无机物，通常是铝和硅。灰分是研磨成粉状的碳在954摄氏度时燃烧3个小时的剩余残渣。从技术角度看，灰分是活性炭矿物氧化物的组分。通常定义为在一定量的样品被氧化后的重量百分比。

水分

水分是测量碳所含水的多少。用Dean-Stark trap和冷凝器，在二甲苯溶液中煮沸活性炭来测量水分。为了测试水分，水被冷凝和截留在待测定臂状容器内。活性炭的水含量也可以通过在150摄氏度下烘干3小时后活性炭重量上改变来测定。水分是活性炭中被吸附的水的重量的百分比。

对于不同用途的活性炭，时常用不同的物质和方法来检验它的吸附性能，如亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值等。其中亚甲基蓝吸附值是最常用的。亚甲基蓝是一种深蓝色染料，对它的吸附量反映了活性炭吸附小分子物质的能力；具有大量微孔的活性炭，此值较高。焦糖吸附值(或称焦糖脱色率、或糖蜜吸附率)是反映活性炭对具有较高分子量的有色物质的吸附性能，性能良好的活性炭，此值达到100～110。

国内外制造的活性炭，都有一类称为“糖用活性炭”的产品，它可用于糖厂，也可以用在其他类似的行业，如葡萄糖溶液及味精溶液的精制脱色等。它的主要特点是具有较多的中孔，因而适于处理含有较多大分子有机物的溶液。这种活性炭的焦糖吸附值比较高。

我国“糖液脱色用活性炭”的国家标准(GB/T13803.3－1999)规定，活性炭产品分为优级品、一级品和二级品三种。其水分都低于10％；焦糖脱色率分别高于

100、90和80，灰分分别低于3％、4％和5％(用磷酸法生产的活性炭可在7％～9％，不分等级)，酸溶物分别低于1％、

1.5％和2％，还有铁含量和氯含量的规定。它们的pH值都在3～5之间。

活性炭的比表面积(BET)反映了每一克活性炭的总表面积的数值m2。它是用氮气或丁烷吸附法测出的。此值越大，活性炭的微孔越多，能够吸附更多的小分子物质。对于同一类的有机物，分子量较大者，被吸附较强；但这以它的分子能够进入活性炭的吸附孔为前提。当需要吸附的物质的分子量较高、分子尺寸较大时，就要选用有较多中孔的活性炭。最理想的活性炭是具有大量恰好稍大于吸附物分子的孔道，如果孔道过大，总表面积就减少。分子量在300～1000之间的物质，相应的吸附孔径在0.5～4 nm之间。

活性炭具有芳香环式的结构，善于吸附芳香族有机物(糖汁中的有色物大部分属于这类)，并善于吸附含有三个碳原子以上的其他有机物。它对不带电物质的吸附力较强，而对带电物质(如阴离子)的吸附较弱。对后者的吸附与溶液pH值有关：

在酸性溶液中吸附较强，碱性溶液中较弱。因为弱酸性物质在低pH下带电较少以至不带电，较易被吸附；高pH下电荷较强，不利于吸附。为避免蔗糖转化，糖液用活性炭处理一般在中性下进行。活性炭对无机离子的吸附作用很弱，但用磷酸作活化剂的活性炭，及经过适当羧基化处理的活性炭，也能吸附少量的金属离子。

活性炭的吸附作用和温度有关。对于多数的物理吸附作用，在低温下能够达到较大的吸附量，但吸附的速度较慢。在糖厂使用的多数情况下，活性炭和糖液接触的时间不长，故要求吸附进行得较快，就常用较高的温度，例如70～85℃。在这个温度下，一般经过15～30分钟(主要决定于糖液浓度)，活性炭的吸附作用就接近其最大值。

活性炭的脱色效果与它的品种和处理的具体条件有极大的关系。在生产应用前要先通过实验室试验，选择适宜的活性炭品种和适当的使用方法与技术条件。

粉状活性炭的粒子大小是不均匀的，有些很微细的粒子可能穿过滤布。因此要选用适当的过滤方法，必要时可以并用助滤剂如硅藻土，将它们和活性炭加入糖液中搅拌适当时间后过滤。

过滤机中形成的活性炭滤饼，可以调制成粉浆后加入深色的糖液中再用一次。

颗粒活性炭通常采用固定床吸附方式，即将颗粒活性炭装入圆筒形吸附柱中，糖液从上而下连续通过，与大量活性炭接触，在底部出口处达到很高的脱色率。这种方法利于充分发挥活性炭的效能。近年又开发了新的连续的移动床系统。活性炭的再生一般是在洗糖后放入再生炉中高温加热，将吸附的有机物分解，亦可以用碱处理再生。

饮用水处理中活性炭种类选择的方法探讨

饮用水处理中活性炭种类选择的方法探讨

xx

摘要：

本文通过分析常用的几种活性炭评价方法特点，综合各个方法的利弊，提出了选择饮用水中活性炭的具体方案，根据该方案筛选出了适应某市水质条件的活性炭种类。并运用通过活性炭性能指标和活性炭运行效果的数学分析，确定了在饮用水处理中活性

炭的主要性能指标及其推荐值，供各水厂在选用活性炭时参考。

关键词：

饮用水；活性炭；炭种选择；评价方法

近年来，随着饮用水水源污染的日益严重，为了克服常规工艺的不足，满足不断提高的饮用水水质标准的要求，在常规处理的基础上，进一步推广应用以活性炭技术为核心的饮用水深度处理工艺，越来越有必要。但是在饮用水处理中使用的活性炭，因为品种繁多,性能不一,用途各异，价格昂贵,而所处理水质各不相同，这就使得许多水厂在选用活性炭上存在盲目性，可能会因选型不适而出现活性炭使用周期缩短，更换频繁，经济费用巨大的现象[2]，所以用于饮用水处理的活性炭的选定,就显得尤为重要。

在活性炭选择中，重要的是如何对活性炭性能进行全面而准确的评价，从而选择出适用水源水质的活性炭。目前各类表征活性炭性能的方式有很多，例如活性炭性能指标，活性炭表面的性状分析，活性炭静态吸附和动态吸附试验（柱子试验）等等。本文分析了常见的几种活性炭性能评价方法的特点，提出了联合应用几种方法，从不同角度对活性炭性能进行全面评价的活性炭选择方案。根据该选炭方案，针对某市的水源特点，确定了适合水源水质的活性炭种类。并根据试验结果，运用数学分析手段，确定了影响活性

炭应用的主要性能指标及其推荐值，以供各水厂在选用活性炭时参考。

1.活性炭筛选方案确定

在水处理中，评价活性炭各种性能的方法有很多，常用评价方法的主要特征，见下表。

表1常用活性炭评价方法的主要特征

评价方法表征对象主要特点

性能指标活性炭各种特定性能活性炭性能指标种类较多，各单项指标检测可实现规范化、标准化，但各单项指标由于针对性不同，因此依靠其选择时经常与实际使用效果有很大出入

表面性状分析化学分析表面化学特征根据活性炭表面各种官能团的组成和含量，推测活性炭对有机物的吸附特征，分析方法复杂，对官能团的精确分析十分困难

物理分析（电镜）表面物理特征简单易行，可直观、定性或定量的分析活性炭表面特征，确定活性炭性能的优劣，实现快速、准

确选用活性炭的目的

静态吸附试验活性炭吸附能力简单、速度快、试验费用低廉、应用范围广，但是其针对性也较差，与实际运行效果常有较大差别吸附能力评价活性炭吸附能力该方法较为简单，时间消耗短，针对性强，可实现动态试验的指标化，且具有一定准确性动态吸附试验全面评价活性炭净水性能真实反映活性炭在实际应用的效果和使用寿命，实现了选择即有效又经济活性炭种类的目的，但是试验所需时间长，工作量大，因此不能广泛应用，只在较大型工程时应用该方法综合评价指标全面评价活性炭各种性能能够包含影响活性炭实际使用效果的多种因素，实现对活性炭全面而定量的评价，但影响

因素和条件多种多样，实现十分困难

活性炭的各种性能评价方法只是从不同的方面对活性炭的性能进行了表征，都各具有局限性，因此可以综合以上几种方法，建立完善的活性炭筛选方法，其主要过程为：

首先要根据活性炭生产的煤质、地域和生产工艺等的不同，从国内外的大型活性炭生产企业中选择出备选炭种，然后从几个方面着手，即活性炭性能指标分析、电镜微观观察、静态吸附试验、吸附能力评价试验，以及活性

炭动态运行试验等，从不同的角度全面评价活性炭炭种的优劣，从而筛选出一至两种活性炭种进行工程应用。具体见下图1。

生产分析控制

煤质

微观表面性状

地域服务

动态吸附量化

生产工艺相似实际运行

指导分析确定

图1活性炭筛选方案

活性炭选择的重点，是从不同角度对备选炭种的性能进行全面的评价，其中活性炭性能指标分析试验，主要是从活性炭实际生产角度出发，选取影响粒状活性炭效果和成本的主要性质，尤其是大量应用时的主要指标进行试验对比，以指导活性炭实际生产中的分析和控制；电镜微观观察试验，主要是从微观角度，分析研究活性炭作为吸附剂和微生物载体的固体表面性状；吸附能力评价试验，

主要是将活性炭的动态试验过程进行相似化，实现对动态吸附过程的指标化，从而评价活性炭种的性能优劣；活性炭的动态运行试验，是为了克服静态实验结果与实际工程的运行效果差别较大的弊端，而进行活性炭较长期的运行考察，从而判断几种活性炭种的实际运行效果优劣。这几个方面的试验，相互配合，能够较为全面的评价出活性炭种各种性能的优劣，达到确定最适用活性炭种的

目的。

2.活性炭筛选试验

根据以上试验方案，针对某市的水源水质进行了活性炭的筛选。根据煤质活性炭生产工艺和地域差异，共选取了一种破碎炭和四种

柱状炭进行试验，依次编号为

A、B、

C、D、E。

( 1 )活性炭性能指标分析

在饮用水处理中，影响活性炭处理效果和运行成本的主要性能指标为：

吸附量（主要为碘值、亚甲蓝值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值、单宁酸值）、强度和摩擦系数，pH值、灰分、粒径大小和粒度分布、水分和可溶物等。试验中对这些性能指标分别进行了检

测，结果见下表。表2活性炭指标测定值

项目指标单位 A B C D E

破碎柱状柱状

摩擦系数wt% 83.5   89.3   85.5   90.2   88.9

强度     wt% 95.4   99.5   97.9   99.7   98.4

表观密度 g/l 510    520    500    520   540

飘浮率wt% 0.0     1.4      0.0    0.0    0.0

pH值--     8.6     9.2      8.9    9.1   8.9

总灰分wt% 9.1      7.2     11.8    8.7   10.5

水溶物wt%  0.05   0.09    0.08   0.03   0.06

碘值mg/g  1001   997     938    958    860

亚甲兰值mg/g 262  259     227    256    207

丁烷值wt%   24.2   24.2    23.4   23.7   20.3

四氯化碳wt% 62.19   62.19   60.14  60.91  52.17

糖蜜值     158      153     152    148   145

单宁酸值-  34.3     30.0    33.2    46.5   61.3

粒度分布

>2.50 0.1 0.0 0.1 0.0

1.25~2.50 3.8 94.7 96.7 94.7 97.3

1.00~1.25 65.3 4.71 2.30 4.4 2.0

<1.00 30.83 0.50 0.94 0.9 0.7

有效粒径mm 0.60 1.44 1.48 1.44 1.49

均匀系数- 1.88 1.12 1.15 1.15 1.15

平均粒径mm 1.068 1.585 1.652 1.618 1.668

从表中可以看出，就炭的吸附性能来说，A炭的碘值、亚甲兰值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值都高于柱状炭，达到或接近国家优级活性炭的标准，且单宁酸值也较低，反映出A炭的孔隙结构发达，微孔、中孔及大孔的比例合理；B炭的碘值、亚甲兰值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值是除破碎炭外最高的，单宁酸值也是最低的，反映出B炭活化过程控制较好，不仅具有发达的孔隙结构，炭强度也很好；C炭的碘值、亚甲兰值、丁烷值、四氯化碳值虽然不是很高，但糖蜜值却很高，单宁酸值也很低，反映出该炭的孔隙结构中，中孔和过渡孔所占比例高，微孔相对较少；D炭糖蜜值低，单宁酸值高，与

B、C炭差距明显，显示出D炭微孔所占比例高，中孔和过渡孔少，但微孔量少于B炭；E炭的碘值仅为860mg/g，只能满足合格品的要求，且亚甲兰值、丁烷值、四氯化碳值、糖蜜值都是最低的，单宁酸值也是较高的，反映出E炭的活化程度不高，孔隙结构不发达，吸附性能较差。

从表中还可以看出，破碎炭的强度要普遍低于柱状炭。破碎炭A的强度和摩擦系数均低于柱状炭。D炭和B炭强度和摩擦系数相近，均高于E炭和C炭，显示其机械性能良好。E炭和C炭机械性能一般。其余各项指标，粒径和粒度分布因为物理性状的原因差别明显，破碎炭A的粒径明显小于柱状炭，均一系数大于柱状炭，在应用中虽然效果好，但也带来床层压降大，床层膨胀小，造成炭量

损失和能量损失，影响了营运成本。除此外，其余的各项指标差别较小，均在国标允许的范围之内。

( 2 )电镜观察试验

扫描电镜和原子力显微镜是常用的两种活性炭表观物理性状研究方法，试验中对五种活性炭进行了电镜观察试验，所用电镜型号为：

日本JEOL公司生产的JSM-5610LV型扫描电镜和岛津公司生产的SPM-9500J3原子力显微镜。

① 扫描电镜

扫描电镜全称为扫描电子显微镜，利用扫描电镜，可以直观的分析出活性炭的成炭颗粒大小、颗粒结合程度、孔洞分布情况、粗糙

程度等物理特征。五种炭的扫描电镜结果见下图。

A炭 B炭 C炭

D炭 E炭

图2五种活性炭扫描电镜照片（×1000）

对比以上图片，可以分析出五种不同活性炭的表观物理特征，具体分析结果见下表。

表3五种活性炭的表观特征

炭种表观特征

A 成炭颗粒均在10um以下，炭粒细小均匀，其中以2-3um左右的炭粒占多数，炭粒间结合蓬松，炭表面粗糙，孔洞数量多，大孔、中孔、微孔分布广泛

B 成炭颗粒较小，以5um左右炭粒居多，10um以上的炭粒亦可见，炭粒分布较均匀，炭粒间粘合紧密，表面粘合剂清晰可见，炭表面粗糙，孔洞数量较多，并且微孔、中孔、大孔的分布合理

C 成炭颗粒存在较多1um以下的炭粉，炭粒间粘合不紧密，表面粗糙，孔洞分布中1um以下的大孔和中孔数量多，微孔相对较低D 成炭颗粒绝大部分在10um以下，以5um左右炭粒为主，炭粒分布均匀。炭粒粘合非常紧密，表面粗糙度较低，大孔和中孔数量少E 成炭颗粒大小不均，10um以上的炭粒较多，并存在几十um以上的大炭粒，炭粒间粘合不够紧密，炭的孔洞数量少，吸附能力不强

② 原子力xx

与扫描电镜不同的是，原子力显微镜可以定量的表征出活性炭表面高低起伏的性状，从而能够直接反应活性炭表面粗糙程度，特别是在活性炭经过长期运行形成生物活性炭时，该方法可以微观的显示出活性炭表面性状对生物生长的适用性，因此对评价活性炭的

性质具有重要的作用。

下面是按照标准取样方法，抽取的四种柱状活性炭样品进行的原子力显微镜分析。针对四种炭表面的不同特点，选取了7x7um的微观区域进行了性状分析。显微镜扫描照片是活性炭表面高度的三维立体图，立体图右边是反映活性炭表面高度起伏变化的柱状图。

B炭 C炭

D炭 E炭

图3四种炭原子力xx扫描照片

从图中可以看出，B和C的表面存在有较多的凸起，尤其是C炭凸起的数量最多，凸起能够增加炭表面的粗糙程度，使得两炭的表面粗糙程度相对较高；D炭的表面虽然也有相类似的较高凸起，但该凸起长度达6um，且凸起物表面平滑，因此对炭表面粗糙度造成的影响较小，该炭的粗糙程度相对较低；与D炭相类似，E炭表面也是以高度大、体积大、表面光滑的凸起为主，因此炭表面粗糙

程度也低。

活性炭表面的粗糙度，特别是微观凸起造成的粗糙度，对生物活性炭的形成过程有着重要影响。微生物在活性炭表面的生存和生物挂膜，主要的影响因素是：

活性炭的物理和化学吸附作用、微生物自身分泌黏液的粘附作用、活性炭作为固体滤料的拦截保护作用。

活性炭表面的粗糙度对以上三种作用都有重要影响，因此能影响到微生物的生长和生物膜的形成。根据以前生物活性炭技术的研究表明，应用于微污染水源水处理的生物活性炭，由于水中有机物很低，属于贫营养环境，因此生长在生物活性炭表面的微生物是以长1-3um的杆菌为主，而且所形成生物膜也是破裂分散的，可以认为在活性炭表面所存在的1um以上凸起对微生物的生长是有益的。

凸起峰越多，则越有利于活性炭对水中有机物吸附，越有利于微生物的生长和微生物膜形成。

生物活性炭去除有机物的作用，在运行初期是以活性炭吸附作用为主，但随着运行时间延长，微生物大量滋生并形成生物膜后，则微生物对有机物的生物吸附降解将起到主导作用。因此活性炭是否有利于微生物生长和生物膜的形成，在选择活性炭种时重要的考

虑因素。从原子力显微镜的照片中看出，B和C存在较多的凸起峰，尤其以C炭最多，有利于微生物生长和生物膜的形成，因此可以预见在形成生物活性炭后，B和C会有较好的运行效果。

( 3 )活性炭吸附能力评价

活性炭吸附能力评价试验，采用内径25mm，总容积200ml的有机玻璃炭柱完成的，具体过程为：

炭样体积100ml，经煮沸后填充，进水流量参照40～200L/min/m2，取100 L/min/m2,计算流量为50ml/min，每小时取样检测指标为UV254，取样点为进水和各柱出水，绘制出活性炭随时间变化吸附去除UV254的工作曲线。

利用活性炭吸附UV254的工作曲线，进行分段积分，得出积分和INTE，然后利用公式，计算出单位重量活性炭吸附有机物的能力，完成活性炭工作能力的评价。

其计算公式如下：

说明：

EVA―每克活性炭的工作能力（以UV254×水量计），单位为l(UV254)/g。

INTE－工作曲线的分段积分和。

W－所取活性炭的重量，单位g。

下表是根据这种方法，对五种不同活性炭进行检测的结果。

表4五种活性炭EVA计算值

炭种 A B C D E

EVAl(UV254)/g）0.0733 0.0454 0.0455 0.0415 0.0397

排序1 4 3 5 6

由评价指标EVA值，可以看出五种活性炭的工作能力，以炭A最好，远远高于其他几种炭；炭F虽然工作能力仍比柱状炭好，但与炭A相比差距明显，只及炭A的89％。四种柱状炭中，B和C最好，两者工作能力非常相似，几近相等， D与

B、C相比差距明显，因此工作能力不强； E炭工作能力最差，而且是差距很明显。从结果可以看出， EVA值计算结果与前面的试验结论是一致的，表明该值具有较高的准确性。

( 4 )活性炭动态运行试验

活性炭的动态运行试验是在五个平行的有机玻璃净水柱完成的，柱内径100mm，高3000mm。柱内装填承托层150mm,石英砂200mm，活性炭1500mm各柱运行条件均相同，空床滤速4.5m/h，过水流量0.6l/min，接触时间20min。运行时上部进水、下部出水，重力自流。活性炭柱共运行6个月，其试验结果见下表：

表5五种活性炭净水效果统计表

A B C D E

浊度降低值（NTU）最大值0.162 0.146 0.161 0.152 0.152

平均值0.084 0.069 0.066 0.058 0.059

最小值0.015－0.004－0.024－0.016－0.020

UV254去除率（％）最大值95.7 86.4 100 65.2 72.7

平均值59.4 48.1 56.6 39.7 40.2

最小值17.5 16.3 17.5 15.0 16.3

CODMn去除率（％）最大值74.2 64.7 71.2 56.6 64.2

平均值43.0 36.3 41.6 32.2 33.8

最小值18.7 15.3 17.3 11.9 13.0

从表中可以看出，破碎炭A在控制浊度方面表现出明显的效果，在整个运行过程中对浊度降低值较大；柱状炭B和C对浊度的控制效果也较好，比D炭和E炭的效果明显。从去除有机物方面来看，破碎炭A效果仍然最好，柱状炭中C 炭的效果最好，与破碎炭A差别不大，这说明C炭对水源水质适应性较好，炭表面的微生物数量和活性较好；其次为B炭，D炭和E炭与上面三个炭差距明显。

这个结果与其他试验结果也是相一致的。不论什么炭质，活性炭对有机物都有较好的去除效果，对UV254的平均去除率在40％以上，对CODMn的平均去除率也在30％以上，并且一直都能将CODMn控制2.0mg/l以下，这显示出活性炭对有机物吸附去除的高效性。

( 5 )最优活性炭种的确定

根据以上试验结果可以看出，破碎炭A与柱状炭相比，在降低浊度、去除有机物方面都表现出了显著的效果，这与破碎炭的结构特性有着直接的关系，但是此类破碎炭在生产上成本较高，水厂的购买成本相应的也增高，而且由于其物理性能决定的，在水厂的实际运行中，也带来了床层压降增大，床层膨胀减小，造成炭量损失和能量损失，对生产运行成本产生了重要影响，使得营运成本显著增加，因此在相同运行效果的情况下，成本较高是制约其进一步应用的主要因素。与破碎炭A相比，柱状炭B和C，特别是C炭，其实际运行效果很好，与破碎炭A的效果差别不大，充分显示了其对水源水质的适应性，其物理性能指标均能满足国家标准，并且经原子力显微镜试验，其对微生物适应性很好，同时，柱状炭的生产和经营成本与破碎炭A相比又能大幅下降，因此针对水源水质，C炭是推荐应用的炭种。

4.活性炭主要性能指标的确定

( 1 )活性炭性能指标与动态运行效果相关分析

对活性炭性能指标与活性炭动态运行效果，以相关系数表征两者之间存在的联系。下表列举了不同性能指标，和代表活性炭运行效

果的浊度、UV

254、CODMn的相关系数计算结果。

表6活性炭性能指标与活性炭运行效果相关性计算结果

修正摩擦系数强度 pH值总灰分水溶物碘值亚甲兰值

浊度降低-0.78095 -0.78516 -0.60115 -0.24919 0.201294 0.69197 0.547415UV254去除-0.90522 -0.74563 -0.58635 0.183611 0.398817 0.551863 0.301715CODMn去除-0.94309 -0.79101 -0.66295 0.322964 0.377961 0.42255 0.16634

续上表

四氯化碳丁烷值糖蜜值单宁酸值有效粒径均匀系数平均粒径

浊度降低0.554264 0.554648 0.945102 -0.65041 -0.8693 0.84727 -0.89189UV254去除0.545012 0.545107 0.890054 -0.76551 -0.62396 0.624792 -0.63306CODMn去除0.424794 0.424856 0.820696 -0.66772 -0.60459 0.6189 -0.60287从上表可以看出，对活性炭炭运行效果影响最大的性能指标为糖蜜值、修正摩擦系数、强度，其次有影响的指标为单宁酸值、平均粒径、有效粒径、均匀系数、pH值、碘值、四氯化碳值和丁烷值。在这些指标中，活性炭的物理机械性能是由其煤质和生产工艺所决定的，因此实际生产中只能对粒径和粒度分布进行控制，满足用户需要，而摩擦系数、强度和pH值是与煤质相关联的，不便进行生产调控；而活性炭的孔隙结构是由生产中活化条件控制的，可以根据需要进行调整，因此对实际生产最有指导意义的活性炭指标为糖蜜值和单宁酸值，这两个指标反映的是活性炭孔隙结构中大孔和中孔的数量，是活性炭对水中天然大分子有机物适宜的量度。

由于在活性炭指标之间也存在着相互影响，使得相关分析会存在着偏差，有时候会使主要因子的影响显现不出来。下面进行活性炭

运行效果与性能指标的协相关分析，用来解决这个问题。

( 2 )活性炭性能指标与动态运行效果协相关分析

协相关分析的主要过程是，通过逐项剔除各个性能指标影响后，计算的活性炭性能指标和运行效果的协相关系数，然后将计算结果，与初始的相关系数进行对比，计算其改变量，从而考查各个性能指标对运行效果的影响程度。下表是协相关分析的最终结果。表7活性炭性能指标与活性炭运行效果协相关计算结果

活性炭性能指标综合位次浊度降低UV254去除 CODMn去除

改变量位次改变量位次

修正摩擦系数3 3.728819 9 9.008773 3 10.82644 1

强度2 4.677893 6 9.420259 2 9.957633 2

pH值8 2.518004 10 5.684937 5 6.51121 5

总灰分4 1.747506 13 1.816151 14 2.581235 14

水溶物2 1.566224 14 3.432379 11 3.022835 12

碘值7 6.513867 3 5.408567 8 4.869481 8

亚甲兰值13 2.045423 12 2.284665 13 2.641608 13

四氯化碳值11 3.770127 8 3.066107 12 3.128214 11

丁烷值9 4.878036 5 4.154306 10 3.974821 10

糖蜜值1 7.390415 1 10.97783 1 9.923826 3

单宁酸值10 2.214169 11 5.281263 9 4.643596 9

有效粒径6 4.951605 4 5.5594 6 5.440827 6

均匀系数4 3.962668 7 6.537102 4 6.692856 4

平均粒径5 6.609574 2 5.494236 7 5.083132 7

从计算结果来看，在控制活性炭出水浊度降低方面，糖蜜值、平均粒径、碘值、有效粒径和丁烷值是主要的影响因素，与前一阶段的结论不同的是，碘值和丁烷值的影响得到了体现；在去除以UV254和CODMn为代表的有机物方面，主要的影响因素为糖蜜值、pH值、均匀系数、修正摩擦系数和强度，与前一阶段相比，pH值、有效粒径的影响得到了强化。

( 3 )主要性能指标推荐值

根据试验结果综合考虑，可将活性炭的性能指标分为三类：

首要控制指标（即针对水源水质特点的主要影响因素）、重要控制指标

（即对实际运行效果起重要作用的因素）和控制指标（即对实际运行效果影响较小的因素，只要能满足国家标准即可）。

① 首要控制指标

糖蜜值和单宁酸值：

从试验结果来看，糖蜜值和单宁酸值对活性炭的实际运行效果有着显著的影响，因此选择活性炭种时应该严格控制。糖蜜值是以大分子量的焦糖作为吸附质，活性炭作为吸附剂来测定的，它主要表征了活性炭对大分子有机物，特别是水源中的高分子量有机物的去除能力。由于焦糖分子量较大，因此难以进入活性炭的微孔结构中，只是被活性炭的大孔、中孔等吸附，因

此可以反映出活性炭孔隙结构中大孔、中孔的比例。单宁酸（分子量为322）值表示吸附有机分子能力的指标，它是在浓度一定的单宁酸溶液中，加入活性炭的量使单宁酸溶液浓度低于某个确定值所需要活性炭的量，因此，此值越低表示活性炭吸附性能越好。

如果只是从分子大小上看，单宁酸值应该与亚甲兰值的大小相似，反映活性炭吸附能力也应该相似，但实际情况并非如此，单宁酸的性质与天然有机物（NOM）中的代表物质腐殖酸十分相近，活性炭对单宁酸的吸附特性与腐殖酸相类似，因此可以代表水中由腐烂植物所产生的有机物，表征活性炭对天然有机物的吸附能力。饮用水水源的地表水，其天然有机物的含量占有绝大部分比例，因此活性炭的大孔和中孔结构是影响活性炭处理效果的主要因素。而糖蜜值和单宁酸值，两指标相互配合，能够很好的判断出活性炭孔隙结构中大孔、中孔的比例，较好的反映出活性炭对天然大分子有机物的去除能力。但目前国家标准为对两值未作明确规定，从性能指标测定结果来看，运行好的三种炭糖蜜值都在150以上，单宁酸值在50以下，因此综合试验结果，建议糖蜜值标准定为为≥150，单宁酸值≤50。

强度和摩擦系数：

在饮用水的深度处理中，对炭后出水浊度控制很严格，即要求在砂滤池出水浊度的基础上不再升高。因为在粒状活性炭实际应用中，要考虑其在运输、反冲洗和再生时活性炭的破损情况，主要有三种力可使活性炭机械破裂而形成粉尘，造成出水浊度升高，即冲击力、积压力和磨损力，强度和摩擦系数便分别代表了冲击积压力和摩损力，反映出活性炭的耐破损能力，因此强度和摩擦系数作为选择活性炭的首要控制指标，要尽量选取高强度和摩擦系数的活性炭。如果强度低，则炭的结构疏松，在反冲洗时，炭粒易脱落，由于微生物能附着在炭粒表面，会造成出水的生物安全性问题。活性炭的强度和摩擦系数也直接影响到活性炭的使用寿命，国标对两值作出明确规定，但从几种炭实际测定结果来看，将该强度定位值定为≥90％，摩擦系数≤90％是比较合适

的。

② 重要控制指标

碘值：

从试验结果来看，它与活性炭运行效果有关，但是相关性不太明显。碘值与活性炭对小分子物质的吸附能力密切相关。现行

的活性炭检测标准GB方法以及一些权威机构（如AWWA）的方法中，均将活性炭样品粉碎至能通过200目筛，这样能将活性炭孔隙尽可能暴露出来，从而达到最大的碘吸附值。它可以用于估算活性炭的比表面积，和相对表征活性炭的孔隙结构。在实际应用中，

对于以碘（分子量为254）为代表的分子量大约250左右、非极性和分子对称的物质来说，碘值可以表征活性炭对这部分物质的吸附能力。碘值作为常用的活性炭质量控制标准指标也是必须进行控制的。综合考虑将碘值设定为≥900mg/g。

xx值和四氯化碳值：

这两值在活性炭对有机物去除效果也存在着相关性。丁烷值与四氯化碳值存在着很好的相关性，美国ASTM标准中显示：

四氯化碳活性＝2.57×丁烷活性，R2=0.934（均按照ASTM－D5228-92）。两值可表征出活性炭样品的微孔容积，是活性炭孔隙结构的量度值，常表征活性炭的活化程度。两值对表征活性炭对小分子量、非极性有机物去处能力，具有重要意义。在国家

标准中，没有规定这两值的大小。根据ASTM标准方法的检测结果，可将丁烷值标准定为≥20％，四氯化碳值定为≥60％。

有效粒径、平均粒径与均匀系数：

这三项指标是活性炭物理性质的重要表征，从试验结果来看，与实际的运行效果均具有较好的相

关性，特别是对浊度的控制作用明显。由于国家标准中未对此值作规定，综合试验结果，推荐有效粒径在1～1.5mm，平均粒径在1.5~2.0mm，

在AWWA标准中，对均匀系数规定为≤2.1，考虑到实际的影响，将均匀系数设定为≤2.0。

pH值：

从试验结果来看，pH值也与实际运行效果存在相关性。pH值是活性炭表面化学性质的重要表征。在活性炭活化过程中，活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，使氧和其它杂原子吸着在这些缺陷上，因而使活性炭产生了各种各样的吸附特性。对活性炭性质产生重要影响的化学基团主要是含氧官能团（羧基、酸酐、脂基、羰基等）和含氮官能团（氨基、酰亚胺等）。这些官能团的存在使得活性炭表现出两性性质，甚至会带电。如果这些带电基团在活性炭表面分布均匀，那么在表面曲率不同的部位，电荷密度是不同的，微生物生长可能会选择它能够忍受的电场强度处“居住”。活性炭的表面化学性质对其吸附性能起到重要作用，表面酸性被认为是控制吸附的重要因素，增加表面酸性，或者说增加极性的氧分子或含氧官能团的数量可增加活性炭的表面极性，从而有

利于其对水分子的吸附。对水分子的吸附有可能因占据活性炭孔而降低了活性炭对疏水性化合物的吸附。NOM为中性条件下带负电荷的有机物，如果活性炭的表面带有中性条件下可水解的强碱性基团的量大于羧基等强酸性基团的量，也就是说pH大于7时，在中性的水体中活性炭表面就会带有正电荷，这将有利于它对NOM的吸附。一般来说，较高的pH有利于活性炭对NOM的吸附，但不是越高越好，pH过高预示着活性炭表面存在较多的强碱性基团，从而导致活性炭表面亲水性增加，不利于对疏水性有机物的吸附。国标

中规定活性炭pH在6～10，考虑pH值的重要作用，该值定在8～10是比较合适的。

③ 控制指标

xx值：

亚甲兰值与实际的运行效果没有多大关系。亚甲兰值在表示活性炭液相吸附性能时，主要反映活性炭的脱色能力，一般

此值越高，表示活性炭吸附性能越好。相对应的，对以亚甲兰分子（分子量为374）为代表的分子量大约370左右、极性和线性结构的显色物质来说，亚甲兰值可以表征活性炭对此类物质的吸附能力。亚甲兰值与碘值相类似，也反映了活性炭的孔隙结构，特别

是微孔的数量。国家标准对该值进行了规定，因此亚甲兰值标准仍采用国家标准，定为≥180mg/g。

总灰分和xx物：

这两值是活性炭中杂质成分的表征，虽然试验结果显示与出水效果没有相关性，但是考虑到生产成本，也要进行

控制。参考国家标准和实际的检测结果，将总灰分定为≤10％，水溶物定为≤0.1％。

表观密度和飘浮率：

表观密度直接影响到购买成本，表观密度越小，单位体积的质量越低，成本越低，但是单位体积的去除有机物能力也必然降低，因此综合考虑，参照国标和AWWA标准，将该值定为≥400g/l。飘浮率能够影响反冲洗过程中炭量的损失，因此也要进行控制。国标规定该值小于2％，因此采用国家标准，该值定为≤2.0％。

根据以上分析，活性炭主要性能指标推荐值综合起来见下表。

表8活性炭主要性能指标推荐值

项目国家标准xx标准(AWWA)推荐值

吸附性能碘值(mg/g) ≥1050 ≥500 ≥900

亚甲兰值(mg/g) ≥180 ≥180

糖蜜值≥150

单宁酸值≤50

xx值(wt%) ≥20

四氯化碳值(wt%) ≥60

化学性能 PH值6~10 8～10

机械性能xx摩擦系数(wt%) ≤90

强度(wt%) ≥85 ≥70 ≥90

有效粒径(mm) 1～1.5

均匀系数≤2.1 ≤2.0

平均粒径(mm) 1.5～2.0

经济性指标总灰分(wt%) ≤10 ≤10

xx物(wt%) ≤0.1

表观密度(g/l) 380~500 >250 ≥400

漂浮率(wt%) ≤2 ≤2

5.结论

（1）根据各种活性炭性能评价方法的特点，可以建立完善的活性炭筛选方法，其主要过程为：

首先要根据活性炭生产的煤质、地域和生产工艺等的不同，从国内外的大型活性炭生产企业中选择出备选炭种，然后从几个方面着手，即活性炭性能指标分析、电镜微观观察、静态吸附试验、吸附能力评价试验，以及活性炭动态运行试验等，从不同角度全面评价活性炭炭种的优劣，筛选出一至两

种活性炭种进行工程应用。

（2）利用活性炭筛选方法筛选出了适应某市水质特点的活性炭。在五种活性炭中，在相同的水质和运行条件下，破碎炭A出水效果最佳。但由于其物理性能，在长期运行中可能会出现炭量损失和能量损失，造成营运成本增加的现象。活性炭C的出水效果与破碎炭相近，其物理性能指标均能满足国家标准，并且经原子力显微镜试验，其对微生物适应性很好，因此认为该炭种对于水源水

质是最适合的。

（3）通过活性炭性能指标和活性炭运行效果的数学分析，确定了在饮用水处理中活性炭的主要性能指标，包括首要控制指标糖蜜值和单宁酸值、强度和摩擦系数，重要控制指标碘值、丁烷值和四氯化碳值、有效粒径、平均粒径与均匀系数，控制指标亚甲兰值、

总灰分和水溶物、表观密度和飘浮率，根据活性炭性能指标检测结果和实际运行效果，对以上各项指标确定了推荐值。