Preparation, characterization, and application of macroporous activated carbon(MAC) suitable for the BAC water treatment process

適用于BAC水處理過程的大孔活性炭(MAC)的制備、表征及應(yīng)用

來源：Science of the Total Environment, Volume 647, 2019, Pages 1359-1367

《整體環(huán)境科學(xué)》，第647卷，2019年，第1359-1367頁

 

摘要

本研究針對生物活性炭(BAC)工藝在低溫下效率急劇下降的問題，開發(fā)了一種新型活性炭(AC)——大孔活性炭(MAC)。它以竹廢料為原料，通過特殊的壓縮、碳化和活化工藝制備，未引入化學(xué)品。MAC不僅含有足夠細(xì)菌進(jìn)入和繁殖的微米級大孔，還確保了發(fā)達(dá)的小孔（特別是微孔）和較高的硬度。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，在室溫和低溫下，MAC(1:6)表現(xiàn)出最高的溶解有機(jī)碳(DOC)去除率和生物活性，其豐富的大孔分布具有絕熱功能，有利于微生物生長繁殖， coupled with 發(fā)達(dá)的微孔提供的更高吸附能力，形成了BAC水處理的良性循環(huán)。

 

研究目的

本研究旨在開發(fā)一種適合BAC水處理過程的新型活性炭(MAC)，以解決BAC工藝在低溫下效率急劇下降的技術(shù)瓶頸。該MAC需在不引入化學(xué)品、避免二次污染的前提下，同時(shí)具備適合細(xì)菌附著的微米級大孔和保證高吸附容量的發(fā)達(dá)微孔，從而在低溫下維持較高的微生物活性和污染物去除效率。

 

研究思路

研究思路包括MAC的制備、表征和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)三個(gè)主要部分。首先，選擇竹廢料作為可持續(xù)原料，通過調(diào)整壓縮比(1:5-1:10)，采用壓縮、碳化和水蒸氣活化工藝制備不同型號的MAC。其次，對MAC進(jìn)行表征，包括吸附性能（碘值、亞甲基藍(lán)值）、硬度、掃描電鏡(SEM)形貌分析、比表面積(BET)和孔徑分布（大孔、中孔、微孔體積）測定。最后，在實(shí)驗(yàn)室平行實(shí)驗(yàn)中，以三種商用AC（PICABIOL® 2、原煤AC-1和成型AC-2）為對照，在室溫和低溫(4°C)下運(yùn)行BAC柱，評估其DOC去除效率、生物量（異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)，HPC）和生物活性（耗氧速率，OUR）。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 MAC的吸附性能和硬度數(shù)據(jù)，如碘值、亞甲基藍(lán)吸附值、球盤硬度，來自Table 1。研究意義在于確保MAC滿足飲用水處理AC的選擇指南(CJ/T 345-2010)要求，保證其在實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械強(qiáng)度和吸附能力。

 

2 MAC的孔徑分布數(shù)據(jù)，包括大孔體積(Vmacro)、中孔體積(Vmeso)、微孔體積(Vmicro)和比表面積(SBET)，來自Table 2和Fig. 2。研究意義在于驗(yàn)證MAC成功兼具發(fā)達(dá)的大孔（為細(xì)菌提供棲息地和絕熱保護(hù)）和微孔（提供高吸附容量），這是其優(yōu)于傳統(tǒng)AC的關(guān)鍵。

 

 

3 BAC柱運(yùn)行期間的DOC去除率數(shù)據(jù)，來自Fig. 3A。研究意義在于直接證明MAC(1:6)在室溫和低溫下均具有最高的污染物去除效率，解決了低溫效率下降的難題。

 

4 生物量(HPC)和生物活性(OUR)數(shù)據(jù)，來自Fig. 3B和Fig. 3C。研究意義在于量化附著微生物的數(shù)量和代謝活性，表明MAC(1:6)的大孔結(jié)構(gòu)更利于微生物富集和保持活性，尤其在低溫下。

5 SEM顯微照片，來自Fig. 4。研究意義在于直觀證實(shí)微生物在MAC的大孔內(nèi)成功定殖和繁殖，為其優(yōu)越性能提供了視覺證據(jù)。

 

結(jié)論

1 成功以竹廢料為原料，通過綠色工藝制備出MAC(1:6)。它同時(shí)具備發(fā)達(dá)的大孔體積(Vmacro=0.805 ml/g)和微孔體積(Vmicro=0.414 ml/g)，以及高硬度(91%)，完全滿足飲用水處理標(biāo)準(zhǔn)。

2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，MAC(1:6)在室溫(20°C)和低溫(4°C)下的DOC去除率、生物量(HPC)和生物活性(OUR)均顯著高于三種商用對照AC。

3 MAC中的微米級大孔為微生物提供了絕熱的生存環(huán)境，減少了低溫等不利外部條件的影響，而其發(fā)達(dá)的微孔能濃縮污染物為微生物提供生長底物，形成了吸附-生物降解的良性循環(huán)，從而顯著提升了BAC工藝在低溫下的性能。

4 該研究為BAC工藝，特別是在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

研究中采用丹麥Unisense微氧傳感器測量耗氧速率(OUR)來量化附著微生物的生物活性。其研究意義在于：OUR是一個(gè)高度敏感且可靠的指標(biāo)，能夠直接反映微生物群落的代謝活性和呼吸強(qiáng)度。通過測量溶解氧消耗的實(shí)時(shí)曲線，可以精確計(jì)算出OUR值（單位：mg O2/l/h/g AC），這比僅僅測量生物量(HPC)更能動態(tài)地揭示微生物的功能狀態(tài)。特別是在低溫條件下，微生物活性而非數(shù)量成為限制因素，OUR數(shù)據(jù)清晰地揭示了MAC(1:6)柱中的微生物即使在4°C下仍保持了相對最高的代謝活性，這為其在低溫下仍能維持較高DOC去除率提供了直接的機(jī)理上的解釋。因此，使用Unisense電極測量OUR為評估和優(yōu)化BAC工藝的生物性能提供了寶貴的高精度定量數(shù)據(jù)。