活性炭吸附去除可溶性二价锰

　　二价锰离子(Mn2+)在配水系统中被氧化成黑色氧化锰，是饮用水中出现美观问题的主要原因。为了去除可溶性二价锰我们研究了游离氯催化氧化去除活性炭表面上的二价锰，并发现当使用微米级活性炭时效果比较好。在此，我们新推导出了催化反应去除痕量物质的动力学模型，并将其应用于二价锰去除。

　　批量实验中活性炭和氯催化氧化去除二价锰

　　批量实验使用透明的1L或4L聚氯乙烯烧杯和浮动磁力搅拌器。对于每个实验，将1000mL或2000mL水样分别放入1L或4L烧杯中，并以50-800rpm的转速搅拌。混合强度G由搅拌速度、磁力搅拌器在旋转方向上的投影面积、水量和粘度使用方程式确定。在将水的pH值调节至中性(6.9–7.0)后，以1.0mg/L的浓度添加一种测试活性炭。投碳5分钟后，加入0.00-4.85mg-Cl2/L的游离氯，开始氧化去除二价锰。在氧化二价锰去除反应期间，通过添加H2SO4或HCl溶液使水的pH值保持中性(6.9–7.1)。用超纯水稀释NaOCl溶液，将游离氯浓度调整为600-1000mg-Cl2/L并用作游离氯的来源。每2.5分钟从烧杯中取出40毫升水样，持续7.5分钟，或在1.0、2.5、4.0、5.0和7.5分钟时，立即通过膜过滤器过滤。滤液中的二价锰和游离氯浓度通过电感耦合等离子体质谱仪和N,N-二乙基-对苯二胺比色法测量。大多数实验进行了多次，证实了实验结果的良好重现性。

　　混合强度的影响

　　我们研究了混合强度对去除率系数(k)的影响(图1)。我们绘制了实验数据，实线显示了方程式预测的值。实验结果和预测结果都表明，去除率系数随着混合强度的增加而增加，但在G>1000s-1的范围内，实验结果的增加率变得更陡峭，偏离预测的速率系数值。我们假设偏差背后的急剧增加是由于活性炭颗粒在高混合强度下的分解(在给炭时轻度聚集)。这些预测是在假设活性炭颗粒的尺寸(部分聚集在原料悬浮液中)在给炭后保持不变的情况下做出的，因为原位颗粒尺寸测量是不可能的。如果这个假设是正确的，那么去除率系数随着混合强度的急剧增加，在高G对于在给炭时已经处于分散状态的活性炭颗粒，不应观察到-值范围。为了验证这一假设，我们使用了非聚集活性炭，其粒径在分散处理前后没有变化，我们在不同的混合强度。我们没有观察到随着活性炭混合强度的增加，去除率系数的急剧增加，强烈表明观察到的活性炭的急剧增加是由于高混合条件下的颗粒分解。

　　图1：活性炭混合强度(G)对去除率系数(k)。

　　我们将去除速率阻力(1/k)与混合强度分解为三个阻力分量(即来自外膜传质、吸附和氧化/解吸的速率阻力图2)。高混合强度对二价锰去除率的影响在碳酸盐缓冲纯水中较大，但在天然水中较小，因为传质阻力不是主要因素。这表明流速对流动反应器中锰去除的影响，因为G值(湍流混合)的影响强度随流量变化的变化很小。

　　图2：去除率阻力(1/k)分解成其成分(即，外膜传质、吸附和氧化/解吸的速率阻力)与活性炭混合强度(G)的关系。

　　活性炭粒径的影响

　　我们将Mn2+去除率系数(k)与活性炭的粒径进行了比较(图3)。我们使用源自相同活性炭的九种尺寸的碳颗粒绘制了实验数据，以便与方程式的预测进行比较。实验值和预测值几乎一致，并且在双对数图上都显示出线性关系。仔细观察发现，预测值的斜率比实验值更陡，在较大颗粒范围内，实验值略大于预测值。这可能是由于颗粒形状或表面性质的任何差异：我们假设了一系列参数值，包括球形值，这些预测与颗粒大小无关，但在实际的活性炭中，这些值可能随颗粒大小而变化。总体而言，活性炭的粒径对Mn2+去除性能有很大影响。

　　图3：活性炭粒径对去除率系数(k)。

　　活性炭吸附去除可溶性二价锰，经过多次实验我们推导出了通过在固体催化剂表面催化氧化去除痕量物质的动力学模型。应用导出的模型，我们定量分析了活性炭作为催化剂在游离氯存在下对痕量二价锰的氧化去除率。该模型很好地拟合了不同水质、游离氯浓度、混合强度、水温和活性炭粒径下的Mn2+去除率系数的所有实验结果。在没有竞争物质的水中，水温对Mn2+去除率的影响可以通过影响传质系数的水粘度变化来解释。共存物质的影响被定量分析为活性炭表面上Mn2+的可用吸附位点的减少。竞争性阳离子Ca2+的吸附位点浓度降低50%，以0.26mmol/L的浓度存在于水中，导致Mn2+去除率降低15%。在较低的水温下，竞争性阳离子对吸附位点的减少会变得更大。因此，在低水温条件下，Mn2+的去除率大大降低，这是因为竞争性阳离子吸附的增强以及粘度增加导致传质速率降低的原因。活性炭与未活化的木炭吸附位点浓度相差8倍，这导致去除率系数相差2.2倍。然而，水中的活性炭的粒径是去除率系数的更关键因素。