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、表征及應用

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

《整體環境科學》，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，未引入化學品。MAC不僅含有足夠細菌進入和繁殖的微米級大孔，還確保了發達的小孔（特別是微孔）和較高的硬度。應用實驗表明，在室溫和低溫下，MAC(1:6)表現出最高的溶解有機碳(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 發達的微孔提供的更高吸附能力，形成了BAC水處理的良性循環。

 

研究目的

本研究旨在開發一種適合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瓶頸。該MAC需在不引入化學品、避免二次污染的前提下，同時具備適合細菌附著的微米級大孔和保證高吸附容量的發達微孔，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、表征和應用實驗三個主要部分。首先，選擇竹廢料作為可持續原料，通過調整壓縮比(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進行表征，包括吸附性能（碘值、亞甲基藍值）、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，在實驗室平行實驗中，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)下運行BAC柱，評估其DOC去除效率、生物量（異養菌平板計數，HPC）和生物活性（耗氧速率，OUR）。

 

測量的數據及研究意義

1 MAC的吸附性能和硬度數據，如碘值、亞甲基藍吸附值、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，保證其在實際應用中的機械強度和吸附能力。

 

2 MAC的孔徑分布數據，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。研究意義在于驗證MAC成功兼具發達的大孔（為細菌提供棲息地和絕熱保護）和微孔（提供高吸附容量），這是其優于傳統AC的關鍵。

 

 

3 BAC柱運行期間的DOC去除率數據，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)數據，來自Fig. 3B和Fig. 3C。研究意義在于量化附著微生物的數量和代謝活性，表明MAC(1:6)的大孔結構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微生物在MAC的大孔內成功定殖和繁殖，為其優越性能提供了視覺證據。

 

結論

1 成功以竹廢料為原料，通過綠色工藝制備出MAC(1:6)。它同時具備發達的大孔體積(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準。

2 應用實驗表明，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境，減少了低溫等不利外部條件的影響，而其發達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，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，特別是在寒冷地區的應用提供了重要的技術支持。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

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是一個高度敏感且可靠的指標，能夠直接反映微生物群落的代謝活性和呼吸強度。通過測量溶解氧消耗的實時曲線，可以精確計算出OUR值（單位：mg O2/l/h/g AC），這比僅僅測量生物量(HPC)更能動態地揭示微生物的功能狀態。特別是在低溫條件下，微生物活性而非數量成為限制因素，OUR數據清晰地揭示了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理上的解釋。因此，使用Unisense電極測量OUR為評估和優化BAC工藝的生物性能提供了寶貴的高精度定量數據。