傅修軍， 楊 闖， 牛翰彬

(中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038)

活性炭濾芯凈水效果的影響因素研究

傅修軍， 楊 闖*， 牛翰彬

(中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038)

以TDS、pH和余氯3個檢測項目作為水質(zhì)評價指標，對各種凈水濾料進行比較與篩選，最終確定出煤質(zhì)活性炭和爭光樹脂(ZGC258)為較佳凈水濾料。通過考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。

活性炭濾芯；凈水效果；環(huán)境保護

飲用水作為戰(zhàn)略性資源，目前在水質(zhì)、水量及資源管理等方面存在著諸多問題，且各種有毒有害物質(zhì)對水源的污染日益加重，飲用水安全已受到了嚴重威脅[1-3]?；钚蕴渴且环N多孔性碳素物質(zhì)，其內(nèi)部具有十分發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、一定的機械強度和巨大的比表面積，具有很強的吸附性能[4]。它能脫色、脫臭、脫硫，能選擇性地脫除液相或氣相中某些雜質(zhì)或組分，還能吸附某些催化劑，是良好的催化劑載體[5]。因此，活性炭有著非常廣泛的用途。其中，最重要的應用是在水處理方面，活性炭可有效去除自來水中余氯、異色、異味、部分有機物及其他有害物質(zhì)，改善口感。本研究充分利用了活性炭優(yōu)良的凈水性能，同時摻入一定比例的樹脂濾料，二者的協(xié)同作用對改善自來水pH、溶解性總固體、總硬度和游離氯等指標具有很好的效果。通過考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 濾芯濾料的選擇

實驗過程中用到的濾料如表1所示。

表1 實驗所用濾料

1.2 活性炭的技術(shù)指標分析

表2為各種活性炭濾料的技術(shù)指標分析結(jié)果。1#代表某國產(chǎn)濾芯中活性炭，2#代表某進口濾芯中活性炭，3#代表椰殼活性炭，4#代表8×30目(8×600 μm)煤質(zhì)活性炭，5#代表12×40目(12×425 μm)煤質(zhì)活性炭。

表2 各種活性炭濾料的技術(shù)指標分析結(jié)果

依據(jù)GB/T 7701.2-2008《煤質(zhì)顆?；钚蕴績艋妹嘿|(zhì)顆?；钚蕴俊穂6]判定，1#活性炭水分、亞甲藍吸附值、水溶物3項不合格，其余合格；2#活性炭水分、亞甲藍吸附值2項不合格，其余合格；3#活性炭碘吸附值、亞甲藍吸附值、水溶物3項不合格，其余合格；4#活性炭和5#活性炭各項均合格。

1.3 濾芯的制作步驟

1) 對原始活性炭濾料進行破碎、篩分，篩選出所需的粒度，將篩選出的活性炭用去離子水洗滌至無漂浮物及無黑水流出，并于110 ℃下干燥后備用；

2) 將樹脂沖洗至出水呈無色備用，同時確定出濕樹脂的含水率(由于樹脂不能干燥保存，故需換算干濕樹脂之間的質(zhì)量)，經(jīng)處理后的樹脂作為濾料備用；

3) 按一定質(zhì)量比調(diào)配活性炭和樹脂，將稱好的活性炭與樹脂混合后填充到濾芯殼體中，即制作出濾芯。

1.4 水質(zhì)指標檢測

1.4.1 溶解性總固體(TDS)

溶解性總固體(TDS)是溶解于水里的固體物質(zhì)的總量，以mg/L來顯示。本實驗通過TDS檢測筆來測試水樣中的TDS值，主要是通過檢測水的導電性來判斷水的純凈度。一般來講，導電性越好，水中的溶解物越多，測出來的TDS值就越高。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中規(guī)定，TDS≤1 000 mg/L。

1.4.2 pH

通過pH計直接讀取水樣的pH數(shù)值。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中規(guī)定，6.5≤pH≤8.5。

1.4.3 余氯

本實驗通過OTO余氯試劑滴定法測定水樣中余氯含量，單位mg/L。將本試劑滴4滴于20 mL水樣中搖勻，根據(jù)被測溶液的顏色變化，對照色別表，即可讀得相應所測水樣的數(shù)值。自來水檢測，打開水龍頭，自然流淌10 s左右，再取水樣。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中規(guī)定，管網(wǎng)末梢水中游離余氯質(zhì)量濃度≥0.05 mg/L，凈化后水中余氯質(zhì)量濃度最好為0.0 mg/L。

2 結(jié)果與討論

通過對1.1中的濾料進行單一或2種混合填充，制作出一系列A類和B類2種構(gòu)造的濾芯。凈水實驗結(jié)果表明，椰殼活性炭、漂萊特樹脂、爭光樹脂(ZGC108DQ)和酸處理爭光樹脂均存在不足。最終確定以煤質(zhì)活性炭和爭光樹脂(ZGC258)為濾料制作濾芯，考察了濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個因素對濾芯凈水效果的影響。

2.1 濾芯外殼構(gòu)造對濾芯凈水效果的影響

以A類和B類外殼構(gòu)造上的不同為研究對象，考察濾芯外殼構(gòu)造對濾芯凈水效果的影響。以A3#與B3#、A4#與B4# 2組濾芯為例，對實驗結(jié)果進行說明。其中，A3#與B3#填充等質(zhì)量的8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭濾料，A4#與B4#填充等質(zhì)量的12×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭濾料。不同外殼下凈水實驗結(jié)果見表3。

表3 不同外殼下凈水實驗結(jié)果

由表3可知，A3#與B3#、A4#與B4#雖然外殼構(gòu)造差異很大，但其凈水效果基本上相同。濾芯外殼構(gòu)造對TDS值的影響見圖1，故濾芯外殼構(gòu)造對濾芯凈水效果幾乎沒有影響。另外，自制濾芯與市售濾芯凈水效果的差異主要是因為各自所填充的濾料的不同。

圖1 濾芯外殼構(gòu)造對TDS值的影響

2.2 濾料配比對濾芯凈水效果的影響

將8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭進行破碎、篩分，篩選出18×40目(12×425μm)的顆粒，然后對其進行洗選、干燥，得到干凈的18×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭。以18×40目(12×425μm)煤質(zhì)活性炭和爭光樹脂(ZGC258)為濾料，按活性炭與樹脂的質(zhì)量比分別為8.0∶0.0、7.5∶0.5、7.0∶1.0、6.0∶2.0、5.0∶3.0和0.0∶6.0制作濾芯A19#、B13#、B14#、B12#、B15#和A24#，前5個濾芯填充濾料的總質(zhì)量為88 g，A24#填充濾料的總質(zhì)量為66 g。

表4為不同配比下凈水實驗結(jié)果。由表4可知，當濾料配比為8.0∶0.0，即填充單一活性炭濾料時，存在pH值過高的不足；當濾料配比為0.0∶6.0，即填充單一樹脂濾料時，存在pH值過低和余氯去除不完全的不足；當填充活性炭和樹脂的混合濾料時，隨著活性炭占比的減小(或樹脂占比的增大)，TDS值(濾料配比對TDS值的影響見圖2)和pH值均隨之降低；當濾料配比為5.0∶3.0時，雖然TDS值降低幅度最大，但其pH仍存在偏低的不足；對余氯指標而言，填充有活性炭濾料的濾芯(某國產(chǎn)和某進口濾芯也填充有活性炭)均對余氯具有較好的去除效果，而僅填充樹脂的A24#濾芯只可部分去除余氯，說明活性炭是一種去除余氯的理想濾材。綜合考慮檢測的各項水質(zhì)指標，濾料配比為7.5∶0.5、7.0∶1.0和6.0∶2.0等3個配比制作的濾芯均具有較好的凈水效果，且優(yōu)于市售某國產(chǎn)和某進口濾芯的凈水效果。對比這3個配比濾芯的凈水效果，配比為7.5∶0.5的濾芯，其TDS指標不及配比為7.0∶1.0的濾芯，配比為6.0∶2.0的濾芯，其pH指標處于國標限值的下限邊緣，故確定7.0∶1.0為本實驗的最佳濾料配比。

表4 不同配比下凈水實驗結(jié)果

圖2 濾料配比對TDS值的影響

2.3 活性炭粒度大小對濾芯凈水效果的影響

以8×30目(8×600μm)煤質(zhì)活性炭為原料，經(jīng)過破碎、篩分、洗選、干燥等處理工序獲得干凈的8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)等不同粒度范圍的煤質(zhì)活性炭。將煤質(zhì)活性炭與爭光樹脂(ZGC258)的質(zhì)量比設定為7.0∶1.0，考察活性炭粒度大小對濾芯凈水效果的影響。填充8×18目(8×1 000μm)、18×30目(18×600μm)、30×40目(30×425μm)、8×30目(8×600μm)、12×40目(12×425μm)和18×40目(18×425μm)活性炭的濾芯分別命名為A25#、A26#、B16#、A27#、A28#和B14#。不同粒度下凈水實驗結(jié)果見表5。

表5 不同粒度下凈水實驗結(jié)果

由表5可知，隨著活性炭粒度的減小(8×18>8×30>12×40>18×30>18×40>30×40)，TDS值總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(活性炭粒度大小對TDS值的影響見第143頁圖3)，這說明活性炭粒度大小對濾芯的凈水效果具有明顯影響。因為活性炭粒度越小，與樹脂粒度[18×50目(18×300μm)]越接近，其混合濾料填充的濾芯內(nèi)顆粒間的孔隙率越小，濾料與自來水的接觸就越充分，故對自來水的凈化效果也就越好。由于是同一來源的活性炭，活性炭與樹脂的配比又是一樣的，所以不同活性炭粒度制作的濾芯凈化后水樣的pH值較為接近。另外，表5中所有濾芯均對余氯具有較好的去除效果。與市售某國產(chǎn)和某進口濾芯相比，活性炭粒度為12×40目(12×425μm)、18×30目(18×600μm)、18×40目(18×425μm)和30×40目(30×425μm)填充的濾芯均具有優(yōu)于二者的凈水效果。雖然活性炭的粒度越小凈水效果越好，但是粒度越小越不易篩選，且越容易產(chǎn)生黑炭粉。考慮到活性炭粒度要方便易得，活性炭大生產(chǎn)中生產(chǎn)的凈化水用煤質(zhì)顆粒活性炭常要求為8×30目(8×600μm)和12×40目(12×425μm)2種粒度范圍，故本實驗初步確定直接選用粒度為12×40目(12×425μm)的煤質(zhì)活性炭作為濾芯中的活性炭濾料。

圖3 活性炭粒度大小對TDS值的影響

2.4 第三方檢測結(jié)果

通過將某國產(chǎn)、某進口及部分自制濾芯委托大同市沃特水質(zhì)檢測有限責任公司對以其實驗室(游離氯指標需進行現(xiàn)場檢測)自來水為水源水的凈化前后水樣進行第三方檢測，得到的第三方水質(zhì)檢測結(jié)果見表6。pH、溶解性總固體、總硬度和游離氯的檢測方法及依據(jù)分別為(GB/T 5750.4-2006)中的5.1玻璃電極法、(GB/T 5750.4-2006)中的8.1稱量法、(GB/T5750.4-2006)[7]中的7.1乙二胺四乙酸二鈉滴定法和(GB/T 5750.11-2006)[8]中的1.2 3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺比色法，檢驗結(jié)果依據(jù)GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》[9]判定。

表6 第三方水質(zhì)檢測結(jié)果

由第三方水質(zhì)檢測結(jié)果可知，送檢的自制濾芯B13#、B14#、B12#、A28#和A26#均對自來水具有良好的凈化效果，且B14#和B12#的各項指標均優(yōu)于市售某國產(chǎn)和某進口濾芯?？梢?，第三方水質(zhì)檢測報告的結(jié)果與本實驗室自測結(jié)果總體上是吻合的。

3 結(jié)論

通過制作一系列A類和B類濾芯，以TDS、pH和余氯3個檢測項目作為水質(zhì)評價指標，對各種凈水濾料進行比較與篩選，最終確定出煤質(zhì)活性炭和爭光樹脂(ZGC258)為較佳凈水濾料。然后，通過考察濾芯外殼構(gòu)造、濾料配比和活性炭粒度3個影響因素，確定出制作凈水用活性炭濾芯的較佳工藝條件。得到的主要結(jié)論如下：

1) 濾芯外殼構(gòu)造對濾芯的凈水效果幾乎沒有影響，濾芯的凈水效果主要取決于所填充的濾料性質(zhì)，所用活性炭濾料應滿足GB/T 7701.2-2008《煤質(zhì)顆?；钚蕴俊艋妹嘿|(zhì)顆?；钚蕴俊返募夹g(shù)指標要求。

2) 自制濾芯B13#[7.5∶0.5,18×40目(18×425μm)]、B14#[7.0∶1.0,18×40目(18×425μm)]、B12#[6.0∶2.0,18×40目(18×425μm)]、A28#[7.0∶1.0,12×40目(12×425μm)]、A26#[7.0∶1.0,18×30目(18×600μm)]和B16#[7.0∶1.0,30×40目(30×425μm)]的凈水效果均優(yōu)于市售某國產(chǎn)和某進口濾芯。為方便與大生產(chǎn)有效對接，經(jīng)綜合考慮，確定將濾料配比為7.0∶1.0、活性炭粒度為12×40目(12×425μm)作為最佳的制作工藝條件。

[1] 尹軍,譚學軍,趙可,等.飲用水深度處理技術(shù)若干研究進展[J].吉林建筑工程學院學報,2004,21(2):7-13.

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[8] 衛(wèi)生部.生活飲用水標準檢驗方法消毒劑指標：GB/T 5750.11-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[9] 衛(wèi)生部.生活飲用水衛(wèi)生標準：GB 5749-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

Study on factors affecting the efficiency of water purification with activated carbon filter

FU Xiujun, YANG Chuang*, NIU Hanbin

(CRRC Datong Co., Ltd., Datong Shanxi 037038, China)

With three test items (TDS, pH and residual chlorine) as indicators of water quality evaluation, a variety of water purification filter materials were compared and selected, and then the coal-based activated carbon and Zhengguang resin (ZGC258) were eventually determined as the better water purification filter materials. By investigating three influence factors, including the filter shell structure, the ratio of filter materials and the particle size of activated carbon, the process conditions which made the activated carbon filters used for water purification better were determined.

activated carbon filter; water purification efficiency; environmental protection

2017-05-15

傅修軍，男，1987年出生，2014年畢業(yè)于燕山大學，碩士學位，工程師。研究方向：活性炭功能材料。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.49

TQ085；TQ424.1

A

1004-7050(2017)04-0140-04

*通訊作者：楊 闖，高級工程師。

環(huán)境保護