摘要：以苯酚、聚乙二醇（PEG-6000）、腐殖酸为研究对象，采用活性炭为吸附剂，对椰壳活性炭在4组不同粒径范围（150~2000μm）的吸附能力进行比较。结果表明：活性炭对苯酚的吸附量与微孔比表面积成正比；对聚乙二醇的吸附量与中孔比表面积成正比。在吸附苯酚时，粒径小于150μm的活性炭吸附能力是粒径1000-2000μm活性炭的1.2倍；吸附聚乙二醇和腐殖酸时，粒径小于150μm活性炭的吸附能力是粒径100-2000μm的4倍和1.2倍。
活性炭吸附分离性能优良，在工业废水深度处理及回用项目中得到广泛的应用。但在实际工程应用中发现，由于生化处理出水中有机污染物主要为溶解性微生物产物（SMP），其分子质量呈双峰分布特性。SMP中的大分子物质容易在活性炭表面形成凝胶水膜，阻塞中孔扩散传质通道，导致活性炭内部的微孔区得不到充分利用，活性炭在表观上表现为吸附达到饱和，使得活性炭的再生频繁及处理成本高昂。因此，寻求有机污染物的分子质量与活性炭粒径之间的规律是提高活性炭吸附性能、降低活性炭处理成本的核心与关键。
波涛活性炭厂家研究不同粒径（150~2000μm）的椰壳活性炭，对苯酚、聚乙二醇、腐殖酸等不同相对分子质量（94~20000）的有机物进行吸附试验,，研究活性炭粒径与有机物分子质量之间的定量匹配关系。结果如下：
1、吸附平衡时间
椰壳活性炭在苯酚溶液中对COD的去除效率及吸附平衡时间如表1所示。
表1椰壳活性炭对吸附质的去除过程
|
反应时间/h |
COD去除率/% | |||||||||||
| 苯酚 | PEG-6000 | 腐殖酸 | ||||||||||
| 组1 | 组2 | 组3 | 组4 | 组1 | 组2 | 组3 | 组4 | 组1 | 组2 | 组3 | 组4 | |
| 0.5 | 32 | 27 | 25 | 22 | 51 | 48 | 22 | 18 | 24 | 20 | 19 | 15 |
| 1 | 44 | 38 | 32 | 32 | 61 | 60 | 30 | 23 | 36 | 30 | 29 | 26 |
| 2 | 50 | 48 | 39 | 40 | 65 | 64 | 40 | 38 | 45 | 39 | 36 | 32 |
| 4 | 65 | 56 | 46 | 45 | 72 | 67 | 54 | 47 | 52 | 47 | 42 | 38 |
| 6 | 70 | 65 | 58 | 57 | 78 | 74 | 67 | 51 | 60 | 56 | 49 | 41 |
| 8 | 79 | 73 | 69 | 67 | 81 | 78 | 68 | 52 | 69 | 64 | 57 | 49 |
| 12 | 79 | 73 | 70 | 68 | 82 | 78 | 68 | 52 | 70 | 65 | 58 | 50 |
| 20 | 79 | 74 | 70 | 68 | 82 | 78 | 68 | 52 | 70 | 65 | 58 | 50 |
| 32 | 79 | 75 | 70 | 68 | 82 | 78 | 68 | 52 | 70 | 65 | 58 | 50 |
由表1可见，椰壳活性炭在吸附苯酚的过程中溶液中COD浓度随着时间的延长而减小，在吸附过程的起始阶段，活性炭对溶液中苯酚的吸附速率很快，随着吸附反应的继续进行，中后期吸附速率降低，8h后，4组粒径活性炭基本达到吸附平衡。这是由于苯酚是一种相对分子质量仅为94.11的小分子有机物，分子直径约为0.67nm，空间位阻很小，可快速进人活性炭微孔中而完成吸附过程，因此较短的接触时间即可充分达到吸附平衡。
椰壳活性炭在吸附PEG-6000的过程中，当反应进行至30min时，粒径较小的两组椰壳活性炭的去除率已达到40%以上，在整个吸附过程中，开始的8h内，活性炭对PEG-6000的吸附速率很大，至12h时，活性炭对PEG-6000的去除率趋于稳定；12h以后，吸附行为达到平衡状态，PEG-6000的去除率随时间的延长变化不大。所以，在吸附等温线试验中，以12h作为吸附达到平衡的时间。
椰壳活性炭在吸附腐殖酸的过程中，COD浓度随着时间的延长而减小，活性炭在吸附反应开始的30min内，对溶液中腐殖酸的吸附速率很快。随着吸附反应的继续进行，中后期吸附速率降低，12h内基本达到吸附平衡。所以，在吸附等温线试验中，以12h作为吸附达到平衡的时间。整个吸附过程中，粒径低于150μm的活性炭对COD的去除率约为1000~2000μm的1.5倍。
2、吸附能力比较
为分析不同粒径活性炭吸附能力与吸附质分子质量间的作用规律，根据静态吸附平衡后的平衡浓度Ce和计算得到的平衡吸附量Qe，作出不同种粒径活性炭分别对苯酚、PEG-6000和腐殖酸的静态吸附等温线如图1、图2、图3所示。
由图1可见，活性炭对苯酚的吸附规律如下：由于活性炭的研磨，大量封闭的微孔遭到破坏，微孔区比表面积暴露在活性炭表面。苯酚分子直径较小，在吸附过程中，活性炭对苯酚的吸附主要发生在微孔区，因此活性炭粒径的碱小使苯酚的吸附量增加，粒径小于150μm的活性炭对苯酚的吸附量约为粒径1000~2000μm活性炭的1.2倍。
由图2可见，活性炭的粒径越小，对PEG-6000的吸附量越大。粒径小于150μm的活性炭对PEG-6000的吸附量约为粒径1000~2000μm活性炭的4倍。因此活性炭对PEG-6000的吸附规律如下：活性炭粒径的减小能使活性炭的外表面积加大。同时，由于PEG-600分子直径较大，随着活性炭粒径减小，活性炭外表面积的加大，可以改变吸附过程中PEG-6000在活性炭的中孔吸附中吸附受阻的现象。PEG-6000的吸附受到中孔比表面积和中孔孔径分布的共同影响，所以对PEG-6000的吸附能力随着活性炭粒径的减小而上升。
由图3可见，活性炭对腐殖酸吸附能力仍然随着活性炭本身粒径的减小而增加，中孔的比表面积决定了活性炭对大分子（如腐殖酸）的吸附能力。粒径小于150μm活性炭对腐殖酸的吸附量约为粒径1000~2000μm活性炭的1.2倍。
综合图1、图2、图3进行比较，活性炭颗粒度的改变导致了吸附能力的改变，是由于在反应过程中粒径较大的活性炭内部区域比粒径小的活性炭内部区域更难到达。因此，根据吸附质大小，通过筛分活性炭获得的适宜小颗粒会具有更好的吸附能力，这与A.Naoya等的研究结论一致。对小粒径活性炭吸附能力的增强，试验的验证可解释为，经研磨后的活性炭中孔体积增加，以致打开了狭窄而短的孔径并使孔扩宽，与M.Baalousha等的研究结论相符。在研磨前，一些大分子吸附质很难进人中孔和微孔区。而粉状化使部分孔结构被破坏，并暴露在活性炭的外表面，以致大吸附质分子能够更加充分地吸附于活性炭表面。
试验对椰壳活性炭进行表征，活性炭比表面积、比孔容积和孔径测定结果如表2所示。
表2椰壳活性炭比表面积、比孔容积和孔径测定强结果
| 150μm | 150-180μm | 180-300μm | 1000-2000μm | |
| 内比表面积/（m2·g-1） | 1007.6450 | 970.0851 | 957.5113 | 944.7720 |
| 比孔容积/（mL·g-1） | 0.6571 | 0.5112 | 0.4450 | 0.4390 |
| 平均孔隙直径/nm | 2.73 | 2.27 | 1.99 | 1.93 |
| 外比表面积/（m2·g-1） | 0.37642 | 0.32160 | 0.23542 | 0.05652 |
| 中孔比表面积/（m2·g-1） | 70.41 | 91.20 | 94.93 | 102.46 |
| 平衡吸附量/（mg·g-1） | 417/349/216 | 401/312/204 | 396/261/195 | 359/90/187 |
| 倍数关系 | 1.2/3.9/1.2 | 1.1/3.4/1.1 | 1.1/2.9/1.0 | 1.0/1.0/1.0 |
3、结论
（1）4组不同粒径的活性炭在吸附过程中的吸附量均随活性炭粒径的减小而加大。活性炭的孔隙性质是影响其吸附有机污染物的主要因素。活性炭的微孔比表面积是影响其吸附小分子、弱极性有机污染物的主要因素，对吸附起决定性作用。活性炭对苯酚的吸附主要受活性炭的微孔比表面积的影响；而对于PEG-6000的吸附，受到中孔比表面积和中孔孔径分布的共同影响；活性炭中孔的比表面积决定了活性炭对相对分子质量10000~20000的大分子如腐殖酸的吸附能力。
（2）活性炭粒径越小；对PEG-6000、腐殖酸的吸附效果较好，粒径小于150μm对PEG-6000、腐殖酸的吸附能力约为粒径1000~2000μum活性炭的4、1.2倍。满足小粒径活性炭的吸附能力分别比常规的活性炭的吸附能力高出很多的规律。粒径小的活性炭的吸附能力更大。
（3）在水处理实际应用中；可根据目标有机物的分子质量范围选择相应的指标来评价活性炭对有机污染物的吸附去除性能。