高锰酸钾与粉末活性炭联用去除水中微量有机污染物图文.docx

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高锰酸钾与粉末活性炭联用去除水中微量有机污染物图文

第３３卷　　第６期　　　　哈尔滨建筑大学学报　　　　Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．６

　２０００年１２月　　　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃ．Ｅ．　＆　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　　　　　　　　　Ｄｅｃ．２０００　

文章编号：

１００６－６７８０（２０００）０６－００４５－０５

高锰酸钾与粉末活性炭联用去除　　　　水中微量有机污染物

　　　　姜成春，马　　军，李圭白

（哈尔滨建筑大学　市政环境工程学院，黑龙江　哈尔滨　１５００９０）

摘　　要：

研究了高锰酸钾与粉末活性炭联用处理技术对水中微量苯酚的去除作用。

试验发现了高锰酸钾预氧化使粉末活性炭产生吸附增量这一现象，证明了二者联用的协同污染去除作用。

并对高锰酸钾与粉末活性炭联用技术的除污染效能进行了分析。

关键词：

高锰酸钾；粉末活性炭；预氧化；吸附；除污染效能；有机污染物中图分类号：

ＴＵ９９１．２　　　　文献标识码：

Ａ

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ　ｉｎ　　　　　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｏｒ　　　　　　　　　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｗａｔｅｒ

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＪＩＡＮＧ　　Ｃｈｅｎｇ－ｃｈｕｎ，　ＭＡ　　Ｊｕｎ，　ＬＩ　Ｇｕｉ－ｂａｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　＆　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖ．　　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇ．　　＆　Ａｒｃｈ．，　Ｈａｒｂｉｎ　１５００９０，　　Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

　　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｏｒ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｐｈｅｎｏｌｓ　ｉｎ　ｔｒａｃｅ　ａｍｏｕｎｔｓ．　　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｈａｖｅ　ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ　ｗｈｉｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｂｅｔｔｅｒｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ａｄｄｅｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｗｈｅｎ　ｅａｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ａｌｏｎｅ．　　Ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｗｈｉｃｈ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ　ｐｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｐｏｗｄｅｒｅｄａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ．　　Ｓｏｍｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａ－ｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｗａｔｅｒ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｎ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：

　　ｐｏｔａｓｓｉｕｍ　ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ；　　ｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ；　　ｐｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ；　　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；　　ｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ；　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ

０　引言

　　　　高锰酸钾是一种强氧化剂，五、六十年代国外就开始将高锰酸钾应用于饮用水的净化［１，２］，当时主要是利用高锰酸钾去除嗅味，除铁除锰，以及作为消毒剂和除藻剂。

近年来，高锰酸钾在去除水中微量有机污染物、控制氯化消毒副产物及助凝等方面的研究取得重要进展。

逐渐地成为一种具有高效低耗特征的除微污染技术［３－７］。

　　　　如何进一步强化高锰酸钾除微污染效果，拓宽除微污染范围，适应不同的受污染水质，对于该技术的进一步发展有重要意义。

有鉴于此，研究人员提出高锰酸钾预处理技术与其它处理技术联用的概念［８］。

通过联用做到优势互补，进一步强化高锰酸钾的除微污染作用，可以在不增加大的投资情况下高效地去除水中有机污染物。

几种可与高锰酸钾联用的处理技术中，笔者认为高锰酸钾与粉

收稿日期：

２０００－０９－２０

作者简介：

姜成春（１９６４－），男，哈尔滨建筑大学博士生．

４６　　　　哈尔滨建筑大学学报　　　　第３３卷

末活性炭联用较适合目前我国国情。

粉末活性炭吸附也是一种预处理技术，是在混凝阶段强化去除水中微量有机污染物和嗅味等。

粉末活性炭在国内外的应用表明，其在控制嗅味、去除水中微量有机污染物方面具有良好的效果。

粉末活性炭的优点是基建投资低廉，不改变现有工艺流程，使用灵活、方便，特别适用于原水水质随季节变化较大的情况。

　　　　高锰酸钾与粉末活性炭联用具有互补性，高锰酸钾预氧化可以改善活性炭的吸附特性，粉末活性炭能够吸附部分有害的氧化中间产物，使饮水更加安全可靠。

同时粉末活性炭还能够使水中剩余的高锰酸钾还原，避免由于过度地投加高锰酸钾而造成水中总锰浓度过高。

　　　　但关于高锰酸钾与粉末活性炭联用方面的一些基础性问题尚需进行一些深入的探讨，尤其在高锰酸钾预氧化影响粉末活性炭吸附性能及二者的协同作用方面。

目前国内外尚未进行有关高锰酸钾与粉末活性炭联用方面的系统研究，本试验以粉末活性炭为研究对象，以我国地面水中检出率及超标率最高的酚类化合物为代表物质。

１　试验过程与方法

　　　　试验用粉末活性炭由太原新华化工厂生产的煤质粒状炭研磨而成。

先将粒状炭在去离子水中洗净，在１１０℃烘干２４ｈ，然后用研钵磨细，取１５０～２００目粒度部分，再烘干２４ｈ，放在干燥器内备用。

所有试验都用同一批粉末炭样。

试验用的各种试剂均为分析纯，苯酚需用小型全玻璃蒸馏装置进一步精制提纯。

称取定量精制苯酚，配成相应浓度的储备溶液。

　　　　取配制好的含酚水样１０００ｍＬ加入到大烧杯中，放在磁力搅拌器上搅拌，加入一定量的高锰酸钾溶液进行预氧化。

３０ｍｉｎ后，将烧杯内的苯酚溶液取入系列三角瓶中各１００　ｍＬ，分别加入不同量的粉末活性炭（有两个三角瓶作为对照瓶，只加苯酚溶液，不加粉末炭），放到振荡器上振荡３ｈ，然后过滤，测定剩余苯酚浓度。

苯酚浓度的测定用４－氨基安替比林直接光度法进行，采用光程２０ｍｍ的比色皿，在５１０ｎｍ吸收波长下测定。

同时进行不加高锰酸钾平行试验（不进行高锰酸钾预氧化，单纯粉末炭吸附）。

　　　　以不加高锰酸钾对照瓶中苯酚剩余浓度与投加高锰酸钾对照瓶中苯酚剩余浓度之差计算出单纯由高锰酸钾氧化对苯酚的去除量；以不加高锰酸钾对照瓶中苯酚剩余浓度与不加高锰酸钾各含炭瓶中苯酚剩余浓度之差计算出单纯由粉末活性炭吸附作用对苯酚的去除量；以不加高锰酸钾对照瓶中苯酚剩余浓度与投加高锰酸钾各含炭瓶中苯酚剩余浓度之差计算出高锰酸钾与粉末活性炭联用对苯酚的去除量。

２　试验结果与分析

２．１　高锰酸钾对粉末活性炭吸附苯酚的影

响

图１　　高锰酸钾（０．５ｍｇ／Ｌ）对ＰＡＣ吸附苯酚的影响（纯水本底）

　　　　图１、２、３和图４分别为在不同高锰酸钾投量下粉末活性炭吸附苯酚的吸附等温线与不投加高锰酸钾条件下的对比图（试验以纯水为本底，室温为２８℃）。

试验发现，高锰酸钾预氧化能显著地提高粉末活性炭对水中微量苯酚的饱和吸附量。

高锰酸钾预氧化影响粉末活性炭吸附水中微量苯酚存在如下一些规律：

　　　　１．少量的高锰酸钾（０．５ｍｇ／Ｌ、１．０ｍｇ／Ｌ）即能使粉末活性炭对微量苯酚的饱和吸附量有所增加（见图１和图２），随着高锰酸钾投量的增加（２．０ｍｇ／Ｌ、３．０ｍｇ／Ｌ），这种饱和吸附量的增加作用更加明显（见图３和图４）。

　　　　２．在给定高锰酸钾投量下，投加粉末活性炭量越低这种预氧化对其饱和吸附量的增加作用愈加明显。

表现为粉末活性炭经高锰酸钾预氧化后的等温吸附曲线的斜率大于自然条件下

第６期　　　　姜成春等：

高锰酸钾与粉末活性炭联用去除水中微量有机污染物　　　　４７

等温吸附曲线的斜率，两条吸附等温线向低投炭端发散。

产生这种现象的原因可能是在低投炭量时，吸附平衡建立较快，而在高投炭量时吸附平衡建立较慢，在试验条件下高投炭量端还没有建立起真正的吸附平衡，这一推断可从高投炭量端吸附曲线的向下拖尾得到解释。

另一方面低投炭量对于粉末活性炭单体来说有更多的机会接触和获得高锰酸钾分子，有利于吸附作用的加强。

　　　　３．由于单纯高锰酸钾在预氧化过程中已经去除了一部分苯酚，其剩余浓度在与粉末活性炭接触之前已有所下降，在计算粉末活性炭饱和吸附量时已减去了由高锰酸钾预氧化所造成的苯酚浓度的降低值。

所以，计算出的饱和吸附量是由粉末活性炭吸附作用及由于氧化作用引起的吸附增量产生的。

　　　　笔者认为，高锰酸钾预氧化引起粉末活性炭产生吸附增量主要是由于高锰酸钾使苯酚在粉末活性炭表面发生氧化聚合作用，以及吸附过程中产生的新生态水合二氧化锰的氧化、吸附与催化作用引起。

Ｖｉｄｉｃ等人［１０］认为分子氧可以使苯酚在粒状活性炭表面发生聚合，引起吸附增量。

这里，高锰酸钾的氧化作用远强于分子氧，因此高锰酸钾应具有更强的使苯酚在粉末活性炭表面发生聚合的能力。

马军等人［４，７７］在试验中观察到，高锰酸钾在氧化有机物过程中有水合二氧化锰生成。

水合二氧化锰在纯水中生成速度较慢，但在还原性物质存在时生成速度加快。

本试验中，粉末

活性炭作为一种特殊的还原性物质，使部

分高锰酸钾还原为水合二氧化锰。

这种新生态水合二氧化锰的氧化、吸附及对高锰酸钾氧化苯酚的催化作用使得吸附过程中苯酚的浓度进一步降低

。

图２　　高锰酸钾（１．０ｍｇ／Ｌ）对ＰＡＣ　　　　

吸附苯酚的影响（纯水本底）

图３　　高锰酸钾（２．０ｍｇ／Ｌ）对ＰＡＣ　　　　

吸附苯酚的影响（纯水本底）图４　　高锰酸钾（３．０ｍｇ／Ｌ）对ＰＡＣ　　　　吸附苯酚的影响（纯水本底）２．２　　高锰酸钾与粉末活性炭联用的协同除污染作用

　　　　表１～表３分别为不同高锰酸钾投量下，单纯高锰酸钾预氧化、单纯粉末活性炭、高锰酸钾预氧化与粉末活性炭联用去除水中微量苯酚的试验结果。

从表中的统计数据可以看出，无论在哪种高锰酸钾投量下，高锰酸钾预氧化与粉末活性炭联用对水中微量苯酚的去除效果总体上要好于高锰酸钾预氧化和粉末活性炭吸附单独使用时的处理效果之和。

　　　　这一现象表明高锰酸钾预氧化与粉末活性炭联用在除有机污染时具有协同效应，即两者联用在除污染时相互促进，所取得的除污染效果大于两者单独使用效果之和。

　　　　在表１中，整个２０～１２０ｍｇ／Ｌ投炭量范围内，高锰酸钾预氧化与粉末活性炭联用对苯酚的去除效果都好于高锰酸钾预氧化和粉末活性炭吸附单独使用时的处理效果之和。

在表２中，投炭量

４８　　　　哈尔滨建筑大学学报　　　　第３３卷

６０ｍｇ／Ｌ以下时，高锰酸钾预氧化与粉末活性炭联用对苯酚的去除效果都好于高锰酸钾预氧化和粉末活性炭吸附单独使用时的处理效果之和，当投炭量达到９０ｍｇ／Ｌ和１２０ｍｇ／Ｌ时，两者联用的处理效果与两者单独使用处理效果之和相当。

在表３中，当投炭量达到９０ｍｇ／Ｌ和１２０ｍｇ／Ｌ时，两者联用的处理效果比两者单独使用时的处理效果之和略低一些。

表１　　高锰酸钾投量０．５ｍｇ／Ｌ时与不投加高锰酸钾的对比试验结果

　　　　试验结果

　　　　数据统计投粉末炭量　　　　投加高锰酸钾　　　　不投加高锰酸钾　　　　单纯预氧单纯粉末氧化与吸附预氧化与ｍｇ／Ｌ

剩余苯酚浓度

去除量

剩余苯酚浓度

去除量

化去除量

炭去除量

量的加和

粉末炭联用

　　　　０　　　　２