活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　受全氟烷基物质污染的饮用水由于常规饮用水处理厂中多氟烷基物质去除不良造成的。虽然纳米膜过滤能去除大部分，但是溢出的部分任然超标了。在我们的研究中，饮用水处理的纳滤与阴离子交换树脂和活性炭相结合，用于处理纳滤废物流。在直接比较中评估活性炭和阴离子交换树脂的全氟烷基物质吸附差异。比较吸附剂材料活性炭和阴离子交换树脂去除全氟烷基物质污染的原水以及膜废水，并检查全氟烷基物质浓度因子对其的影响和吸附剂的吸附性能。

　　全氟烷基物质是一组具有独特物理化学性质的人造化学品。它们具有排斥油和水的能力以及耐久性，这些性质使它们成为广泛应用的化学品。一般存在与地表水中这样导致了饮用水的全氟烷基物质浓度过高。由于低效的处理技术或通过破坏性方法转化多氟烷基物质前体，常规饮用水处理通常导致成品饮用水中的多氟烷基物质浓度与原水相似或甚至更高，因此需要从饮用水中去除。活性炭是一种多功能吸附材料，可用于从水中去除多氟烷基物质。

　　膜处理活性炭吸附的模拟试验

　　使用的纳滤膜是螺旋缠绕膜。处理系列由30μm聚丙烯过滤器，带防垢剂注入的给水泵和两个串联的NF膜组成。给水流量以78%的渗透物回收率为目标。由于来自输送管道的锰颗粒导致预滤器的部分堵塞导致需要更换过滤器七次，这导致进料压力略低，并且渗透物中全氟烷基物质的浓度略高于平均值。原水是城市的地下水，这是一个受全氟烷基物质污染的地下水井场。每周一次采集原水，渗透水和废水的样品，为期35周。使用活性炭和阴离子交换树脂吸附柱进一步处理原水和废水(图1)。

　　图1：使用两个串联的纳滤膜处理全氟烷基物质污染的原水的示意图，产生过滤水和膜废水。另外，使用活性炭或阴离子交换树脂处理原水和膜废水。

　　抽样和分析

　　实验总计进行了12周，每两周取样。这导致所有活性炭色谱柱的实验运行时间为24个，分别处理原水和膜废水的阴离子交换树脂色谱柱。在每次采样之后每周对所有柱进行反洗，以模拟典型的全尺寸操作。总共分析了15种全氟烷基物质，将吸附材料相对于全氟烷基物质去除的性能与柱吸附模型的性能进行了比较。

　　纳滤膜过程的去除效率

　　废水与给水的平均浓度因子达到最高值5，并且对于较长链全氟烷基物质而言更高。很难得出短链与长链全氟烷基物质的去除效率的结论，因为长链全氟烷基物质的给水浓度更高，自然导致更高的浓度因子。本研究中平均去除率>99%高于其他使用NF膜处理含全氟烷基物质水的研究。随着去除效率的降低和NF膜上跨膜压的增加。与纯净的去离子水溶液相比，他们发现含有腐殖酸的全氟磺酸盐溶液的去除效率略有提高。与其研究相比，本研究中发现的较高去除效率可能已经出现，因为给水全氟烷基物质浓度较低或使用较低的膜通量。影响去除效率的其他因素包括天然地下水中存在的成分，预滤器中可能的去除，或膜污染程度，其对有机微污染物的排斥显示出正面和负面影响。一般来说，应该小心地与其他研究进行比较，因为许多实验参数以及水质在研究之间通常是显着不同的。其他研究没有像本研究那样使用天然原水，这妨碍了直接的比较。

　　吸附剂的去除效率

　　通过活性炭和阴离子交换树脂两种材料，比短链同系物更有效地去除更长链全氟烷基物质(图2)。这是预期的，对于活性炭和离子交换材料，疏水效应促进了较长链全氟烷基物质的吸附。与早期研究中获得的结果一致，全氟磺酸盐比全氟羧酸盐保留得更好，这对于阴离子交换树脂尤为明显。于处理浓度较低的原水的活性炭柱，观察到解吸，但对于由膜拒绝水供给的活性炭则没有观察到解吸。与活性炭柱处理原水相比，活性炭柱处理废水时，随着时间的推移，全氟烷基物质去除效率的变化斜率通常不那么陡峭。活性炭处理废水的全氟羧酸盐去除效率甚至高于活性炭处理原水。一种可能的解释是，与原水相比，废水中较大量的有机物质在处理废水的塔中产生了额外的吸附位点。此外，如对其他微污染物所观察到的，在处理废水的柱中增强的生物膜生长可以增加活性炭对全氟烷基物质的吸附能力。在实验开始时，阴离子交换树脂比活性炭更好地处理原水和膜废水。然而，随着时间的推移，观察到活性炭材料始终如一地去除约20%的全氟烷基物质。与此相反，阴离子交换树脂显示随时间的去除效率的陡峭降低，并且观察到比实验结束时比活性炭的去除效率更低的去除效率，所以选择活性炭才是复合经济实用的。

　　图2：经评价的活性炭材料和阴离子交换树脂检测到的全氟烷基物质的去除效率。

　　最终，该研究表明，通过膜过滤可以实现从饮用水中去除稳定的全氟烷基物质，并且使用活性炭对全氟烷基物质吸附对于浓缩废物流的效率可以比对更稀释的原始给水高四倍。膜处理与活性炭吸附剂的结合为饮用水供应商提供了可靠的全氟烷基物质去除，以及使用可再生的活性炭材料进行纳滤废物流处理的好处。这种处理方法对纳滤浓缩物时提供的更大吸附能力，而不是更稀释的给水，并解决成本效益计算，以便为从饮用水中去除和预防全氟烷基物质提供具有成本竞争力的解决方案。

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