活性炭吸附去除自来水中三卤甲烷的效果研究

引言：自来水厂深度处理用活性炭的再生成本通常是新炭的 1/3, 活性炭的再生损耗通常是 10%～15% , 加上补充新炭的成本 , 比全部更换新炭节约成本40%～60% 。近年来，在推进城镇供水设施改造和饮用水安全保障技术体系建设中，许多自来水厂为应对水源水质突变或有机污染、确保供水水质而选择使用粉末活性炭投加工艺，作为常规处理工艺的补充。三卤甲烷是一类挥发性卤代烃类化合物 , 主要包括氯仿、溴仿 、一氯二溴甲烷和二氯一溴甲烷。因此，如何有效去除自来水中三卤甲烷成为当前水处理领域的研究热点之一。

一、活性炭吸附原理及三卤甲烷特性

（一）活性炭吸附原理

活性炭由于自身具备独特的多孔结构，所以其吸附能力强大。这个过程包含两种主要机制，物理吸附以及化学吸附，其中物理吸附借助分子间的范德华力来完成，而化学吸附则是利用化学键形成的方式来捕获物质，物理吸附的作用机理主要是依靠活性炭表面存在大量微孔和中孔这种独特结构，这种多孔性特征可以产生较强的范德华力，从而将被吸附的分子紧紧地吸在活性炭表面。物理吸附属于一种能够让物质之间迅速结合并具备可逆性的过程，它的吸附速率很大程度上受外界条件如温度、压力等因素的影响。化学吸附过程涉及的是活性炭表面特定的含氧官能团，如羧基、酚羟基、内酯基等，与吸附质分子之间发生化学反应形成化学键，从而实现吸附目的。化学吸附是借助化学键力把吸附质分子牢固地结合在吸附剂表面上的过程，这种吸附具有高度的专一性，而且往往是不可逆的，所以吸附速率一般较低。

（二）三卤甲烷特性

三卤甲烷这类挥发性有机化合物，因为其沸点相对比较低，溶解度比较高，在不同的环境里都可以被发现。自来水中，三卤甲烷常常以分子形式存在，这类物质有着相对稳定的化学性质，当受到外界诸如光照、高温等情况的影响时，三卤甲烷就容易发生诸如光解、水解之类的化学反应过程。三卤甲烷的毒性水平很大程度上取决于自身的化学结构，不同种类的三卤甲烷所表现出的毒性程度也不尽相同，溴仿在整个系列当中显示出极其强烈的毒性，相比之下，氯仿的毒性则要小很多。

二、活性炭吸附去除自来水中三卤甲烷的效果分析

（一）不同活性炭种类对去除效果的影响

为了深入探究不同活性炭种类对自来水中三卤甲烷去除效果的差别，需要挑选颗粒活性炭和粉末活性炭展开对比实验，在其他实验条件保持一致的前提下，实验结果显示粉末活性炭对于三卤甲烷的去除率明显高于颗粒活性炭。从微观结构上来说，粉末活性炭拥有更大的比表面积，其内部孔隙结构也更为发达，粉末活性炭表面就能暴露更多吸附位点。当三卤甲烷分子与粉末活性炭接触时，就会有更多机会被吸附到活性炭表面，这样就极大提升了对三卤甲烷的吸附能力。但粉末活性炭在实际使用过程中也有一些不能轻视之处。由于颗粒细小，所以在处理过程中回收起来比较困难，需要特殊的过滤或者离心设备才可以回收，使得操作变得复杂，而且有可能会导致一些活性炭随着水流流失，造成二次污染。而颗粒活性炭的颗粒比较大，很容易通过过滤等方式进行回收，操作简单，所以在实际的水处理工程中更具有可操作性。

（二）活性炭投加量对去除效果的影响

实验结果表明，随着活性炭投加量的逐步增大，三卤甲烷去除率呈现出逐渐升高的趋势。当活性炭投加量较少时，活性炭表面可以提供的吸附位点数量有限，无法全部吸附水中的三卤甲烷分子，因而去除率较低，随着投加量不断增大，活性炭表面提供的吸附位点数量也逐渐增多，更多的三卤甲烷分子被吸附，所以去除率逐渐升高。但是当投加量达到一定量之后，去除率上升幅度就逐渐变小。这是因为此时活性炭表面的吸附位点已经比较接近饱和，再增加活性炭投加量就无法提供更多的吸附位点了，这样就不能使去除率进一步提升，同时增加活性炭投加量，还会带来活性炭采购成本增加、后续的处理能耗成本也会增加，甚至还有后续活性炭回收、处理的成本。

（三）接触时间对去除效果的影响

实验发现，三卤甲烷去除率在吸附初期随着时间的增长而快速增加，这是因为吸附初期，活性炭表面的空吸附位点多，三卤甲烷分子能够快速地向活性炭表面靠近，并被活性炭表面所吸附。但是随着时间的不断增长，活性炭表面的吸附位点开始被三卤甲烷分子占据，因此去除率的增加速度逐渐放缓，当吸附位点被饱和之后，去除率不再随着接触时间的增加而改变，达到吸附平衡状态，需要长时间且受很多因素影响，如不同种类活性炭，投加量不同，三卤甲烷初始浓度不同，水温不同等。不同种类的活性炭有着不一样的孔隙结构以及表面性质，这使得它们的吸附速率和吸附容量有所不同；投放的量多少会影响到活性炭表面吸附位置的数量；三卤甲烷的初始浓度越大，到达吸附平衡所用的时间或许就越短；水温的变化同样会对吸附过程产生一定的影响。

（四）三卤甲烷初始浓度对去除效果的影响

为了探究自来水中三卤甲烷初始浓度对活性炭吸附效果的影响，本研究对三卤甲烷的初始浓度进行了改变，发现在三卤甲烷初始浓度升高时，活性炭对三卤甲烷的吸附量随之增加，但去除率逐渐下降。当初始浓度较低时，活性炭表面吸附位点较多，能够吸附掉大部分的三卤甲烷分子，此时去除率较高，此时活性炭对三卤甲烷的吸附主要受到吸附位点的限制，只要吸附位点足够，就能将水中的三卤甲烷分子去除干净。而当初始浓度较高时，活性炭表面吸附位点很快就被占满，剩下的三卤甲烷分子无法被吸附，从而去除率降低。至于吸附容量上升，则是由于初始浓度偏高时，活性炭表面能吸附更多的三卤甲烷分子，直至吸附位置饱和。

（五）温度对去除效果的影响

随着温度的升高，三卤甲烷去除率有所下降，从吸附热力学角度来说，三卤甲烷被吸附是个放热过程，升高温度会促使吸附反应的平衡朝逆反应方向移动，即不利于吸附反应发生，这是由于温度上升，会导致分子运动更加剧烈，使得三卤甲烷分子较容易从活性炭表面解吸，从而导致去除率下降。但是温度对吸附效果影响不大，在实际应用中，温度的变化对活性炭吸附去除自来水中三卤甲烷的效果影响不大，因为自来水的温度变化不大，而且活性炭吸附三卤甲烷是稳定的。所以在实际的水处理工程中，不需要特别注意温度对活性炭吸附效果的影响，但是在一些对水质要求很高的特殊情况下，还需要适当控制水温，以保持活性炭的吸附性能。

结束语：

展望未来，人们对于自来水水质的要求不断上升，人们的环保意识逐步加深，活性炭吸附技术在自来水处理中的应用将会愈加广泛，未来研究可以更加深挖活性炭吸附去除自来水中的三卤甲烷机理，研发新型高效活性炭吸附材料，探索活性炭吸附处理工艺的运行参数，提高活性炭吸附工艺再生利用效率。

参考文献：

[1] 叶诤杰 . 自来水厂臭氧活性炭深度处理工艺的要点分析 [J]. 中国资源综合利用 ,2025,43(01):274-276.

[2] 赵苑 . 生物活性炭滤池在自来水厂中的运行优化与维护策略研究 [J]. 化学工程与装备 ,2024,(11):131-133.

[3] 刘淑明 , 马啸枫 . 粉末活性炭湿式投加系统在自来水厂的应用 [J]. 清洗世界 ,2020,36(04):52-53.

[4] 王凤玲 . 试论活性炭技术在城市自来水厂给水深度处理中的应用 [J]. 科技创业家 ,2012,(23):2.