活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭与膜过滤去除壬基酚乙氧基化物

　　壬基酚聚氧乙烯醚及其衍生物在工业应用中广泛用作洗涤剂、分散剂、油漆、塑料、乳化剂和破乳剂等。也是非离子表面活性剂，不稳定，可生物转化为壬基酚单乙氧基化物、壬基酚二乙氧基化物、壬基酚三乙氧基化物、水生环境中的壬基酚等会造成环境问题，所以需要去除。我们研究了浸没式膜过滤系统和活性炭的组合以去除壬基酚乙氧基化物。活性炭和膜过滤的结合具有防止活性炭冲洗掉、微污染物去除率高、占地面积小、操作方便等优点，效果好等。

　　去除壬基酚乙氧基化物的实验装置

　　在这项研究中，依次进行了三个实验阶段，包括评估活性炭浓度对壬基酚聚氧乙烯醚去除效果的批量实验，确定活性炭与膜过滤系统的合适通量，以及系统连续运行。首先，进行批量实验以评估活性炭浓度的去除的影响。将6个密封瓶装入200mL去离子水，并在每个瓶中加入活性炭，用量为25、50、100、150、200和250mg/L。初始壬基酚聚氧乙烯醚浓度控制在4mg/L。在30分钟内以25rpm的速度摇动这些瓶子，温度为32℃。然后，测量每个瓶子中的壬基酚乙氧基化物浓度以确定去除效率。批次实验重复两次。在下一阶段，建立实验室规模的活性炭与膜过滤系统，如图1所示。由聚乙烯制成的平板膜组件，表面积为0.15平方米，孔径为2.5μm浸入反应器中，工作容积为10L。通过数字压力计每天记录跨膜压力。以65L/分钟的流速供应空气以避免活性炭在反应器中沉积。

　　图1：实验室规模的浸没式膜过滤系统示意图。

　　以批量实验选择的剂量添加到系统中。活性炭膜过滤系统以不同通量顺序运行。每个通量运行8小时，清洗反应器和膜组件以开始检查以下通量。在运行8小时后测量对应于每种通量的悬浮和沉积的活性炭浓度。将选择产生高悬浮活性炭浓度的通量用于连续操作。在确定合适的活性炭用量和运行通量后，活性炭膜过滤系统在288小时(12天)内运行以评估有机微污染物去除性能。

　　通过活性炭与膜过滤系统去除壬基酚乙氧基化物和DOC

　　根据批量实验的结果，活性炭膜过滤系统在20通量和50mg/L的活性炭用量下连续运行12天。活性炭在第一天添加，并且在操作期间没有进行活性炭添加。如前所述，系统中的活性炭倾向于移动到膜组件并沉积在膜表面。因此，体相中的活性炭浓度随时间降低，而沉积的活性炭质量增加。图2和图3中的数据显示了微污染物去除与悬浮活性炭浓度之间的相关性。在最初的40小时内，虽然体相中悬浮的活性炭从51.00+0.31mg/L大幅下降到16.5+3.4mg/L，但体相中悬浮的活性炭浓度仍然很高，为37.4+5.4mg/L。

　　图2：运行期间主体相中动力活性炭浓度的变化。

　　渗透液中的DOC浓度为1.25+0.12mg/L，对应于58+4%的去除效率。然而，从第43小时到第168小时，悬浮的活性炭浓度下降到12.20+2.31mg/L，DOC去除效率达到45+5%。在剩余的几个小时内，主体相中的活性炭浓度仅为9.4+1.1mg/L，并且观察到最低的DOC去除效率为23+11%。在此期间获得的出水DOC浓度(2.05+0.32mg/L)与进水(2.64+0.04mg/L)接近。很明显，体相中活性炭的消耗导致微污染物去除的减少。从第200小时开始，渗透液中的DOC浓度比第一个小时高2倍。从这些结果来看，应该在40小时后向系统补充活性炭以保持去除性能。

　　图3：运行期间渗透液中DOC和壬基酚乙氧基化物浓度的变化。

　　壬基酚乙氧基化物浓度是在运营期间测量的。进水壬基酚乙氧基化物维持在4mg/L，渗透液中壬基酚乙氧基化物浓度波动在1.34+0.41mg/L(图3)。与DOC去除性能一样，反应器中的活性炭浓度也会影响壬基酚乙氧基化物的处理。由于前50小时悬浮壬基酚乙氧基化物浓度较高，壬基酚乙氧基化物去除效率达到81+3%，然后在接下来的几个小时内降低到66+5%。与生物处理工艺相比，本研究中活性炭与膜过滤系统去除壬基酚乙氧基化物显示出更有效的效果。

　　活性炭与膜过滤系统显示出比其他技术更高的壬基酚乙氧基化物去除率。因此，浸没式膜过滤系统与活性炭相结合是从天然水体中去除壬基酚乙氧基化物，尤其是壬基酚乙氧基化物的一种有前景的方法。此外，活性炭与膜过滤系统可以作为一种先进的废水处理工艺，特别是处理含有微污染物如壬基酚乙氧基化物的废水。活性炭还可以作为微污染物的有效吸附剂，这些微污染物不能单独通过膜过滤来排斥。系统中存在的活性炭包括悬浮在体相中的活性炭和沉积在膜表面的活性炭。由于吸附了超过65%的溶解有机碳，悬浮活性炭与沉积活性炭相比显示出更高的吸附能力。然而，体相中悬浮活性炭的减少导致壬基酚乙氧基化物去除效率的下降，这是活性炭与膜过滤系统的主要缺点。因此，为了保持所需的去除效果，应补充悬浮的活性炭质量。确定活性炭的添加量和耗损，能提供稳定的污染物去除效率。

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