給水處理中的有機(jī)物危害已引起人們的廣泛重視，工業(yè)給水處理與城 市自來水處理均開始使用活性炭吸附技術(shù)。在活性炭吸附水處理中選擇合適的活性炭十分重要，只有選擇吸附容量高的活性炭才能保證使用壽命長、更換次數(shù)少 、費(fèi)用省。

　　吸附容量高的活性炭以前是按照國標(biāo)方法 〔1, 2〕 進(jìn)行選擇，以碘值 、亞甲基蘭吸附值高的活 性炭為好。筆者曾指出活性炭的碘值、亞甲基蘭吸附值與給水處理中活性炭的使用 壽命相關(guān)性不好，因此不應(yīng)釆用碘值及亞甲基蘭吸附值等考察水處理用活性炭的吸附容量，并提出采用活性炭對天然水中 4 種典型有機(jī)物 ( 腐殖酸、富里酸、木質(zhì)素 、丹寧 ) 的吸附等溫線來評價(jià)活 性炭 〔3, 4, 5〕，該觀點(diǎn)引起廣泛關(guān)注，并以此制定了 DL/T 582—2004《火力發(fā)電廠水處理用活性炭使用導(dǎo)則 》 〔6〕(2004 年正式頒布執(zhí)行)。近年來，關(guān) 于 碘 值 、亞 甲 基 蘭 吸 附 值 等 指 標(biāo) 不 能 反 映 給 水處理中活性炭對有機(jī)物吸附性 能的觀點(diǎn)已逐漸為人們接受，涌現(xiàn)了眾多給水處理用活性炭的選擇方法 〔7,8, 9, 10, 11, 12, 13, 14〕。一個(gè)好的水處理用活性炭選擇方法，除能分辨不同活性炭對水中有機(jī)物的吸附性能外，還應(yīng)具有直觀性強(qiáng) 、方法簡便 、試驗(yàn)樣品易得 、便于推廣應(yīng)用等特點(diǎn)，而 DL/T 582—2004 雖已被證實(shí)可正確選擇給水 處理用活性炭 〔3 6〕，但其方法復(fù)雜 、試驗(yàn)用樣品不易取得，難以進(jìn)行推廣。因此尋找更好的活性炭選擇方法很有意義。

　　筆者認(rèn)為，焦糖脫色率具有直觀性強(qiáng) 、方法簡便 、試驗(yàn)樣品易得的特點(diǎn)，并能評價(jià)活性炭對有機(jī)物的吸附性能，可用其篩選給水處理用活性炭。

　　1 焦糖脫色率

　　焦糖脫色率是糖用活性炭的一個(gè)主要性能指標(biāo)，用以考察活性炭對糖液色素的脫除力。有研究認(rèn)為，活性炭的焦糖脫色率在某種意義上可反映活性炭的大孔含量。高尚愚等 〔15〕對碘值 、亞甲基蘭吸附值、焦糖脫色率與活性炭 孔隙結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為碘值與活性炭中半徑為 0.55 nm 的孔隙數(shù)量有關(guān)，亞甲基蘭吸附值取決于活性炭中半徑為0.8 nm 孔的發(fā)達(dá)程度，而焦糖脫色率主要受半徑 1.4 nm 以上的孔隙數(shù)量制約。據(jù)此觀點(diǎn)，碘值、亞甲基蘭吸附值及焦糖脫色率所反映 的吸附質(zhì)分子體積( 也可視作分子質(zhì)量) 之比約為 1∶3.08∶(>16.5)。

　　由于焦糖脫色率所反映的分子體積水平與 DL/T 582—2004 中的 4 種大分子天然有機(jī)物相似，而且焦糖脫色率測定方法簡單、樣品易得 〔16〕，便于推廣應(yīng)用，因此筆者提出以焦糖脫色率考察活性炭對水中有機(jī)物的吸附性能 〔17, 18〕，并進(jìn)行了相關(guān)研究。

　　2 吸附試驗(yàn)所用吸附質(zhì)的分子質(zhì)量分布

　　活性炭對物質(zhì)的吸附性主要從活性炭孔徑與吸附質(zhì)分子尺寸是否匹配的角度進(jìn)行分析，僅當(dāng)吸附質(zhì)分子直徑小于活性炭孔徑的某一比例時(shí) ( 如 1/3)，吸附過程才能有效進(jìn)行。因此必須考察活性炭的孔徑，使其與水中的有機(jī)物分子大小及分布相適應(yīng)。

　　由于給水處理水源多為天然水，筆者曾對天然水中溶解態(tài)有機(jī)物 的分子質(zhì)量分布進(jìn)行測定 ( 超濾法，UV254)，見表 1。從表 1可見，天然水中溶解態(tài)有機(jī)物的相對分子質(zhì)量大，可達(dá)數(shù)萬以上，分布也較廣，但不同天然水體的溶解態(tài)有機(jī)物分子質(zhì)量分布規(guī) 律 很 相 似，相 對 分 子 質(zhì) 量 在 2 000 以 下 的 約 占 40%~60%，>1 萬的約占 10%~30%。

　　由于天然水中有機(jī)物的相對分子質(zhì)量大部分在數(shù)千以上，用于吸附此類有機(jī)物的活性炭應(yīng)具有較大的孔徑，換言之，表征活性炭吸附性能的 指標(biāo)應(yīng)能反映活性炭較大孔徑 的孔數(shù)量，用于測定活性炭吸附性能指標(biāo)的吸附質(zhì)也應(yīng)具 有較大的分子質(zhì)量，且其分子質(zhì)量分布要與天然水中的有機(jī)物分子質(zhì)量分布相似，這樣測定指標(biāo)才能真正反映給水處理中使用的活性炭真實(shí)吸附能力。

　　測定了活性炭吸附性能試驗(yàn)所用吸附質(zhì)的分子質(zhì)量及其分布，結(jié)果見表 2。

　　對比表 1 、表 2 的數(shù)據(jù)可以看出，碘和亞甲基蘭 的相對分子質(zhì)量很小，與天然水中的有機(jī)物相差太大，因此碘值和亞甲基蘭 吸附值無法評價(jià)活性炭在水 處 理 中 的 吸 附 性 能 ; 丹 寧 的 相 對 分 子 質(zhì) 量 為 1 701.2，與天然水中相對分子質(zhì)量 <2 000 的有機(jī)物相近( 該部分有機(jī)物在天然水中占較高比例，為40%~ 60%)，用丹寧酸值 〔14〕進(jìn)行表征可一定程度上反映活性炭在水處理中的吸附性能，但不全面，因?yàn)槠洳荒艽�表其余的高分子質(zhì)量有機(jī)物。當(dāng)然與碘值和亞甲基蘭吸附值相比，丹寧酸值的測定結(jié)果已接近水處理應(yīng)用情況，因此國外也有研究者關(guān)注活性炭的丹寧酸值指標(biāo)。

　　以天然水中的 4 種有機(jī)物 ( 腐殖酸 、富里酸 、木質(zhì)素 、丹寧 ) 作吸附質(zhì)，通過測定活性炭的吸附等溫線 可 篩 選 出 吸 附 容 量 高 的 活 性 炭 (DL/T 582— 2004)。由于既有代表大分子的物質(zhì) ( 腐殖酸 、木質(zhì)素 )，也有代表中低分子的物質(zhì) ( 富里酸 、丹寧 )，因此 DL/T 582—2004 能準(zhǔn)確選擇出高吸附性能的水處理用活性炭，并在許多實(shí)際應(yīng)用中得到證實(shí)。

　　以腐殖酸值和丹寧酸值作為水處理用活性炭的吸附性能指標(biāo) 〔7, 8〕，是對 DL/T 582—2004 的簡化，它可反映水中高 、低分子質(zhì)量有機(jī)物的吸附情況，所以用該方法選擇活性炭也有實(shí)際的工程案例。但遺憾的是，該方法使用的 腐殖酸是試劑腐殖酸，分子質(zhì)量偏大，水溶性差。

　　從表 2 可以看出，焦糖的分子質(zhì)量分布與天然水中有機(jī)物的分布范圍 ( 表 1 ) 相似，既有高分子質(zhì)量部分又有低分子質(zhì)量部分，而且各分子質(zhì)量區(qū)段所占百分?jǐn)?shù)也相似，所以用焦糖脫色率來評價(jià)水處理用活性炭的吸附性能可能更具代表性。另外，該方法較簡單、成熟，有利于推廣應(yīng)用。

　　焦糖脫色率測定所用焦糖有 A、B 2 種 制 取 方法(GB/T 12496.9—1999)，其中 B 法應(yīng)用較多，而且 B 法焦糖的分子質(zhì)量分布更為理想，筆者采用 B 法焦糖進(jìn)行活性炭的吸附性能試驗(yàn)。

　　ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求用吸附等溫線法測定用于液相吸附的活性炭 ( 試驗(yàn)方法與 DL/T 582—2004 相似)，但對具體的吸附質(zhì)沒有規(guī)定 〔19〕。

　　3 活性炭吸附性能試驗(yàn)

　　由于以水中 4 種有機(jī)物來評價(jià)活性炭吸附性能的方法(DL/T 582—2004) 己得到廣泛驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用，故以 DL/T 582—2004 作為基準(zhǔn)，將焦糖脫色率方法的試驗(yàn)結(jié)果與其進(jìn)行比較，以判斷焦糖脫色率方法能否選出高吸附容量的活性炭。這類試驗(yàn)進(jìn)行了多次，列舉若干試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

　　3.1 初步試驗(yàn)

　　試驗(yàn)選用 4 種常用的水處理活性炭和 1 種大孔吸附樹脂 ( 也是用于吸附天然水中的有機(jī)物 )，采用焦糖脫色率方法和 DL/T 582—2004 測定其吸附性能，這 5 種吸附劑的相關(guān)參數(shù)列于表 3，吸附性能試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

　　由表 4 可以看出，按 DL/T 582—2004 方法選擇出吸附能力最好的吸附劑是 3#，其次為 1# 和 2#，最差的是 4# 和 5#; 焦糖脫色率法的測定結(jié)果基 本一致，僅最末排序有所差異。與 A 法相比，B 法焦糖脫色率的測定結(jié)果更接近 DL/T 582—2004 的結(jié)果，且測定數(shù)值高 ( 可能與 B 法焦糖的相對分子質(zhì)量偏低有關(guān) )，有利于實(shí)際操作和性能區(qū)分。

　　對比表 3、表 4 可以看出，DL/T 582—2004 和焦糖脫色率法的選擇結(jié)果與活性炭的 比表面積相關(guān)性不好，但與其中孔發(fā)達(dá)程度有關(guān)，說明這 2 種方法反映的是活性炭對大分子有機(jī)物的吸附情況。4# 活性炭的中孔雖也較發(fā)達(dá)，但其中孔大多集中在 2~ 2.5 nm 區(qū)間，對大分子有機(jī)物的吸附效果不好。

　　丹寧酸值法采用對數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，其測定結(jié)果有時(shí)偏差很大。

　　3.2 擴(kuò)大試驗(yàn)

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證上述規(guī)律，筆者又搜集了 10 種國內(nèi)常用的水處理用活性炭，對其焦糖脫色率和按 DL/T 582—2004 方法測定的結(jié)果進(jìn)行對比，活性炭的參數(shù)列于表 5，其吸附性能測定結(jié)果見表 6。

　　此次擴(kuò)大試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了焦糖脫色率法的測定結(jié)果與 DL/T 582—2004 的結(jié)果是一致的，其與活性炭的中孔發(fā)達(dá)程度成正相關(guān)，因此可用焦糖脫色率(B 法) 指標(biāo)篩選給水處理用活性炭。給水處理中應(yīng)選擇焦糖脫色率高的活性炭，焦糖脫色率越高，活性炭對水中有機(jī)物的吸附性能越好，一般來講焦糖脫色率不應(yīng)低于50%。

　　筆者認(rèn)為焦糖脫色率法可代替 DL/T 582—2004 對活性炭進(jìn)行選擇。

　　3.3 實(shí)際應(yīng)用

　　上述試驗(yàn)證實(shí)了焦糖脫色率可表征給水處理用活性炭的吸附性能，筆者用該方法為某工業(yè)企業(yè)篩選給水處理用活性炭，該企業(yè)提供 4 種待選活性炭，其性能參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表 7、表 8 所示。

　　由表 8> 可知，4 種活性炭的強(qiáng)度都 >95%，符合水處理要求 ; 2# 活性炭的漂浮損失略高，可在價(jià)格計(jì)算時(shí)予以修正，其余物理性能參 數(shù)均在要求之內(nèi)。吸附性能方面，碘值和亞甲基蘭吸附值以 1# 最高，比表面積 2# 最大，但中孔則是 3# 最發(fā)達(dá)，按照 DL/T 582—2004 方法 3# 最好，焦糖脫色率也是 3# 最高，達(dá) 54.48%，所以推薦該廠使用 3# 活性炭。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　(1)用焦糖脫色率評價(jià)水處理用活性炭的吸附性能，其結(jié)果與 DL/T 582—2004(以天然水中的 4 種典型有機(jī)物進(jìn)行評價(jià))的結(jié)果一致，均可反映活性炭的中孔發(fā)達(dá)程度，故可用焦糖脫色率篩選給水處理用活性炭。

　　(2)焦糖脫色率越高，活性炭對水中有機(jī)物的吸附性能越好。建議給水處理用活性炭的焦糖脫色率(B 法) ≥ 50%。

　　(3)焦糖脫色率(B法)可按 GB/T 7702.18— 1997 方法進(jìn)行測定，但最后應(yīng)稀釋后再比色，以減少誤差，稀釋倍數(shù)一般為 10 倍。