活性炭吸附去除可溶性二價錳

　　二價錳離子(Mn2+)在配水系統中被氧化成黑色氧化錳，是飲用水中出現美觀問題的主要原因。為了去除可溶性二價錳我們研究了游離氯催化氧化去除活性炭表面上的二價錳，并發現當使用微米級活性炭時效果比較好。在此，我們新推導出了催化反應去除痕量物質的動力學模型，并將其應用于二價錳去除。

　　批量實驗中活性炭和氯催化氧化去除二價錳

　　批量實驗使用透明的1L或4L聚氯乙烯燒杯和浮動磁力攪拌器。對于每個實驗，將1000mL或2000mL水樣分別放入1L或4L燒杯中，并以50-800rpm的轉速攪拌。混合強度G由攪拌速度、磁力攪拌器在旋轉方向上的投影面積、水量和粘度使用方程式確定。在將水的pH值調節至中性(6.9–7.0)后，以1.0mg/L的濃度添加一種測試活性炭。投碳5分鐘后，加入0.00-4.85mg-Cl2/L的游離氯，開始氧化去除二價錳。在氧化二價錳去除反應期間，通過添加H2SO4或HCl溶液使水的pH值保持中性(6.9–7.1)。用超純水稀釋NaOCl溶液，將游離氯濃度調整為600-1000mg-Cl2/L并用作游離氯的來源。每2.5分鐘從燒杯中取出40毫升水樣，持續7.5分鐘，或在1.0、2.5、4.0、5.0和7.5分鐘時，立即通過膜過濾器過濾。濾液中的二價錳和游離氯濃度通過電感耦合等離子體質譜儀和N,N-二乙基-對苯二胺比色法測量。大多數實驗進行了多次，證實了實驗結果的良好重現性。

　　混合強度的影響

　　我們研究了混合強度對去除率系數(k)的影響(圖1)。我們繪制了實驗數據，實線顯示了方程式預測的值。實驗結果和預測結果都表明，去除率系數隨著混合強度的增加而增加，但在G>1000s-1的范圍內，實驗結果的增加率變得更陡峭，偏離預測的速率系數值。我們假設偏差背后的急劇增加是由于活性炭顆粒在高混合強度下的分解(在給炭時輕度聚集)。這些預測是在假設活性炭顆粒的尺寸(部分聚集在原料懸浮液中)在給炭后保持不變的情況下做出的，因為原位顆粒尺寸測量是不可能的。如果這個假設是正確的，那么去除率系數隨著混合強度的急劇增加，在高G對于在給炭時已經處于分散狀態的活性炭顆粒，不應觀察到-值范圍。為了驗證這一假設，我們使用了非聚集活性炭，其粒徑在分散處理前后沒有變化，我們在不同的混合強度。我們沒有觀察到隨著活性炭混合強度的增加，去除率系數的急劇增加，強烈表明觀察到的活性炭的急劇增加是由于高混合條件下的顆粒分解。

　　圖1：活性炭混合強度(G)對去除率系數(k)。

　　我們將去除速率阻力(1/k)與混合強度分解為三個阻力分量(即來自外膜傳質、吸附和氧化/解吸的速率阻力圖2)。高混合強度對二價錳去除率的影響在碳酸鹽緩沖純水中較大，但在天然水中較小，因為傳質阻力不是主要因素。這表明流速對流動反應器中錳去除的影響，因為G值(湍流混合)的影響強度隨流量變化的變化很小。

　　圖2：去除率阻力(1/k)分解成其成分(即，外膜傳質、吸附和氧化/解吸的速率阻力)與活性炭混合強度(G)的關系。

　　活性炭粒徑的影響

　　我們將Mn2+去除率系數(k)與活性炭的粒徑進行了比較(圖3)。我們使用源自相同活性炭的九種尺寸的碳顆粒繪制了實驗數據，以便與方程式的預測進行比較。實驗值和預測值幾乎一致，并且在雙對數圖上都顯示出線性關系。仔細觀察發現，預測值的斜率比實驗值更陡，在較大顆粒范圍內，實驗值略大于預測值。這可能是由于顆粒形狀或表面性質的任何差異：我們假設了一系列參數值，包括球形值，這些預測與顆粒大小無關，但在實際的活性炭中，這些值可能隨顆粒大小而變化。總體而言，活性炭的粒徑對Mn2+去除性能有很大影響。

　　圖3：活性炭粒徑對去除率系數(k)。

　　活性炭吸附去除可溶性二價錳，經過多次實驗我們推導出了通過在固體催化劑表面催化氧化去除痕量物質的動力學模型。應用導出的模型，我們定量分析了活性炭作為催化劑在游離氯存在下對痕量二價錳的氧化去除率。該模型很好地擬合了不同水質、游離氯濃度、混合強度、水溫和活性炭粒徑下的Mn2+去除率系數的所有實驗結果。在沒有競爭物質的水中，水溫對Mn2+去除率的影響可以通過影響傳質系數的水粘度變化來解釋。共存物質的影響被定量分析為活性炭表面上Mn2+的可用吸附位點的減少。競爭性陽離子Ca2+的吸附位點濃度降低50%，以0.26mmol/L的濃度存在于水中，導致Mn2+去除率降低15%。在較低的水溫下，競爭性陽離子對吸附位點的減少會變得更大。因此，在低水溫條件下，Mn2+的去除率大大降低，這是因為競爭性陽離子吸附的增強以及粘度增加導致傳質速率降低的原因。活性炭與未活化的木炭吸附位點濃度相差8倍，這導致去除率系數相差2.2倍。然而，水中的活性炭的粒徑是去除率系數的更關鍵因素。

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