活性炭对超滤膜脱磷的影响

　　地表水中存在多种污染物，难以通过单个过程进行处理和纯化。处理地表水的一种方法是将膜技术与另一种单元工艺相结合，例如吸附或离子交换。为了更好的处理被污染的地板上，我们评估了集成吸附/超滤膜过滤系统同时去除磷酸盐和溶解有机物的能力。比较活性炭和浸渍无定形亚铁水合物吸附剂(水铁矿浸渍活性炭)对磷酸盐的吸附能力。

　　混合吸附-膜过滤过程的性能很大程度上取决于几个因素，例如吸附剂(活性炭)用量，吸附剂与膜孔的相对大小，膜特性，反吹频率，反应器尺寸和配置，过滤模式以及溶解有机物浓度的特性。使用铁浸渍的活性炭吸附剂去除溶解有机物和有机污染物也有人试验过。为防止孔堵塞或内孔收缩，吸附剂的尺寸应为约50毫米。比膜孔的大小大2-3个数量级，尽管较小的活性炭颗粒比较大的活性炭能更好地吸附污染物，但它们也引起更大的通量膜的通过率下降。颗粒电荷也是混合吸附/膜过滤系统性能的一个因素。

　　膜过滤工艺

　　截留分子量的聚丙烯腈超滤膜过滤实验装置如图1所示。使用前，将膜置于去离子水中24小时以去​​除任何湿润剂和生产残留物。膜过滤测试是在可重复使用的聚砜膜过滤器中恒定跨膜压力下进行的。由在整个操作时间内渗透通过膜的水量计算出滤液通量。在过滤实验开始时，将活性炭或水铁矿浸渍活性炭添加到过滤室中。蠕动泵将给水送入上部腔室。使用曝气装置使吸附剂保持悬浮状态并支持微生物活性。并行进行了两个台式过滤测试。随着膜结垢的发展，膜总阻力的增加和滤液通量的下降，进行了测量。由测得的通量和恒定跨膜压力数据计算出水力阻力。当滤液通量降至初始通量的60%以下时，用去离子水反冲洗以清洁膜，这样做是为了消除膜表面上的可逆结垢，并使膜具有更长的运行时间。

　　图1：混合吸附和膜系统的示意图。

　　活性炭和水铁矿浸渍活性炭的特性

　　水铁矿浸渍活性炭颗粒表面似乎具有比活性炭颗粒低的表面粗糙度，这是由于无定形亚铁水合物纳米颗粒截留在活性炭孔中。横截面SEM图像以及铁、氧和二氧化硅含量的元素分布图如图2所示。设备扫描了代表性碳颗粒的一个横截面。将白线绘制到这些图像中以指示单个活性炭或水铁矿浸渍活性炭颗粒的可能轮廓。在活性炭颗粒上，未检测到铁信号，但明显的氧气和二氧化硅信号明显，表明存在二氧化硅在活性炭内。水铁矿浸渍活性炭颗粒中存在大量的氧元素，其中一些分布在表面。在外表面周围均检测到铁和氧信号(亮绿色和红色)。带有元素映射的SEM-EDS分析反映了活性炭表面上氧化铁的浸渍。

　　图2：带有铁，氧和二氧化硅的的活性炭和浸渍活性炭的SEM-EDS图像。

　　磷酸盐吸附动力学和等温线

　　磷酸盐吸附到活性炭和浸渍活性炭吸附剂上的曲线随时间的变化在图3a示出。观察到磷酸盐分子从液相快速扩散到吸附剂表面，因为吸附量随时间增加，直到分别在活性炭和浸渍活性炭分别在5分钟和60分钟后达到平衡为止。如所预期的，两种吸附剂表现出不同的吸附行为。活性炭和浸渍活性炭的最大除磷效率分别为15.2%和91.4%。水铁矿浸渍活性炭较高的磷酸盐吸附率的可能原因可能是吸附剂表面带有更多的负电荷，这可以排斥溶液中带负电荷的磷酸盐，尤其是无机磷酸盐。因此，浸渍换头像颗粒表面的铁颗粒有助于屏蔽天然的负表面电荷，并促进吸附剂颗粒与磷酸根离子之间的相互作用。再有测试发现磷酸吸附到浸渍活性炭是由化学吸附的过程。

　　图3：(a)磷酸盐在活性炭和浸渍活性炭上的吸附动力学，以及(b)对磷酸盐的吸附等温线。

　　活性炭对超滤膜脱磷的影响，经过系统地研究了浸渍铁的活性炭与膜过滤结合使用时的吸附效果。水铁矿浸渍使活性炭具有同时吸附磷酸盐和有机物的能力，从而略微减轻了生物膜相关物质对膜的污染。因此，由不可逆结垢引起的跨膜阻力受到限制，有助于介导跨膜通量的下降，并使得通过反吹回收通量成为可能。