摘要：自来水加氯消毒的副产物为三氯甲烷（THMs），其主要成分为CHCl3、CHBr3、CHBr2Cl及CHBrCl2，具有一定的致癌风险。为了保证城市供水安全，可采用活性炭吸附技术去除THMs。研究过程通过吸附性能对比，筛选出4种活性炭材料，再借助静态吸附实验优选出一种吸附效果最佳的活性炭。在不同温度和不同初始浓度条件下，检验活性炭对三氯甲烷的去除率，结果显示，提高温度可改善去除效果，当初始浓度较高时，应该提高活性炭用量。
关键词：活性炭吸附技术,THMs,去除效果
0引言
利用活性炭去除自来水中的THMs，具有环保、成本低等一系列优势。但活性炭类型多样，常用的包括椰壳、果壳、杏壳、煤质、木屑等，每一种材料对THMs的去除率存在一定的差异，并且效果受到水体温度、吸附质初始浓度以及其他因素的综合影响，需要通过实验筛选出性能最佳的活性炭，以便进行工程应用。
1三氯甲烷的来源及危害分析
1.1三氯甲烷的来源
在废水和自来水的消毒处理中，加氯属于常用的技术措施，但是在这一过程中通常会生成副产物三氯甲烷（THMs）。实际上，THMs是一系列有机化合物的总称，包括CHCl3（三氯甲烷）、CHBr3（三溴甲烷）、CHBrCl2（一溴二氯甲烷）以及CHBr2Cl（二溴一氯甲烷）4种物质。
1.2三溴甲烷危害分析
三氯甲烷对人体具有致癌风险，表1统计了THMs中四类物质的致癌风险，从表1数据可知，CHBr2Cl的致癌风险最高，其次为CHBrCl2。显然，作为具有致癌风险的副产物，在饮用水处理阶段，必须采取有效的技术措施，去除THMs，或者尽可能降低其含量。
2活性炭筛选
活性炭可吸附水体中的THMs，并且不会产生其他类型的有害物质，从而达到去除或降低浓度的目标。根据制造材料的差异，活性炭可分为多种类型，常见的包括椰壳活性炭、煤质活性炭、碳纤维活性炭等[1]。为了达到最佳的THMs去除效果，应该对比分析活性炭的性能，筛选出最佳的活性炭材料。
2.1活性炭样本编号
研究过程选取了15种活性炭样本，其品种包括椰壳、果壳、煤质、木屑以及杏壳，灰分、强度和粒度存在一定的差异，样本编号及基本性质见表2。
2.2活性炭性能对比
2.2.1基本性能指标对比
活性炭的性能受到多种因素的影响，如比表面积、孔容积、孔径大小。通常比表面积越大，吸附性能越强。孔径大小对吸附分子的粒径具有一定的影响，以上15种活性炭以微孔为主，同时含有一定比例的中孔，中孔主要发挥通道作用，兼具吸附功能。2.2.1.1比表面积对比对比15种活性炭的比表面积，根据厂家提供的数据，在373.56~1 816 m2/g之间，差异较大。3种活性炭的比表面积超过1 000 m2/g，分别为A-4#（1 816 m2/g）、C-1#（1 052.58 m2/g）、G-2#（1 685.82 m2/g）。比表面积在900~1 000m2/g的活性炭为5种，对应编号为A-1#、B-1#、E-1#、G-1#和H#。
2.2.1.2孔容孔径对比
15种活性炭的孔径在2.08~3.62 nm之间，大部分不超过3.0 nm，仅有2种超过3.0 nm。孔容在0.209 3~1.619 3 mL/g之间，孔容较大的活性炭编号A-4#、G-2#，分别为1.619 3、1.210 9 mL/g。
2.2.2吸附性能对比
在对比活性炭的吸附性能时，主要测定其对水体中碘、苯酚、亚甲基蓝的吸附效果，具体实施过程如下：
2.2.2.1对碘的吸附效果
将活性炭的碘吸附值记为Ad，则该指标的计算方法如式（1）所示。
式中：c1为碘标准溶液的浓度；c2为硫代硫酸钠标准溶液的浓度；m为活性炭的质量；V2为消耗硫代硫酸钠标准溶液的量；D为校正系数，可查表获得[2]。对15种活性炭的碘吸附值进行排序（由大到小），选取前6种，分别为G-1#、E-1#、A-4#、H#、E-2#、G-2#。
2.2.2.2苯酚吸附值对比
将活性炭的苯酚吸附值记为Ab，相应的计算方法见式（2）。
式中：V1'、V2'分别代表活性炭试样和空白实验的硫代硫酸钠标准溶液体积。对比15种活性炭的苯酚吸附值，按照从高到低的方式进行排序，取前6种活性炭，相应的样本编号为A-3#、B-2#、A-4#、E-1#、E-2#、A-1#。
2.2.2.3亚甲基蓝吸附值对比
将活性炭对亚甲基蓝的吸附值记为Ay，则该指标的计算方法为式（3）：
式中：Vy为亚甲基蓝溶液的体积；c为亚甲基蓝溶液的浓度。按照由高到低的顺序对15种活性炭的亚甲基蓝吸附值进行排序，取前6种活性炭，分别为A-4#、G-2#、A-3#、E-1#、B-1#、C-2#。
2.3筛选结果
综合对比以上实验结果，在15种活性炭材料中，吸附性能较强的样品为E-1#、E-2#、G-1#、G-2#。因此，可进一步探索这4种活性炭材料对THMs的去除效果。
3活性炭对自来水中THMs的去除效果
3.1静态吸附效果
3.1.1吸附速度和吸附平衡时间对比
指标q用于表示活性炭对THMs的吸附量，该指标的计算方法见式（4）。
式中：c0为吸附前水体中THMs的浓度；c为吸附后水体中THMs的浓度；W为活性炭材料的干重；V为溶液的体积。
实验环境的温度设定为28℃,每次量取50 mL的水体进行实验，水中的THMs浓度超过国家标准。初始的实验条件如表3所示。4种活性炭的吸附速率见表4，从表4数据可知，E-1#活性炭的吸附速度最高，其次为G-1#活性炭。从吸附平衡时间来看，4种活性炭材料的平衡时间均不超过4 h，超过4 h之后，活性炭基本不再吸附THMs[3]。
3.1.2等温吸附效果对比
活性炭对三氯甲烷的吸附过程可采用Freundlich模型进行描述，其数学方程可表示为式（5）：
式中：qe为活性炭对吸附质的等温吸附量；KF为常数，用于表征吸附能力的强弱；n为Freundlich常数；ce为恒定温度下的吸附质浓度[4]。以致癌风险最高的CHBr2Cl为例，在28℃环境温度下开展实验，吸附水样体积采取50 mL，4种活性炭的Freundlich模型参数见表5。根据KF值，吸附能力的排序结果为E-1#>E-2#>G-1#>G-2#。总体而言，编号为E-1#的活性炭对THMs的吸附效果最佳。
3.2不同因素对活性炭去除THMs的影响
3.2.1温度影响
实验过程设定两种温度条件，分别为28、36℃,活性炭材料采用E-1#，其平均粒度为355~841μm。在28℃条件下，对CHCl3的去除率为93.88%，对CHBr3的去除率为100%，对CHCl2Br的去除率达到96.93%，对CHClBr2的去除率为98.46%。在36℃条件下，该活性炭对以上四类物质的去除率分别达到98.48%、100%、99.51%、99.53%。显然，当吸附温度较高时，去除率明显上升。
3.2.2初始浓度影响
配置3种不同浓度的THMs溶液，分别为国标限值的0.5、1、2倍，实验条件均为28℃,活性炭材料为5-1#，相应的去除率见表6。从表6实验数据可知，随着初始浓度的提高，THMs的去除率有所下降。说明，活性炭的吸附性具有上限，当THMs的浓度较高时，应该增加活性炭的质量[5]。
4结果讨论
1）自来水消毒过程采用加氯措施，其副产物为THMs，此类物质具有一定的致癌风险，因此必须严格控制其在自来水中的浓度。活性炭吸附技术能够通过吸附作用去除水中的THMs。研究过程从市场中采购了15种活性炭材料，包括椰壳活性炭、煤质活性炭、果壳活性炭、木屑活性炭以及杏壳活性炭。对比活性炭的吸附性能，筛选出4种吸附效果较强的活性炭，再根据静态吸附实验，确定最佳材料为E-1#活性炭。
2）在不同温度条件下检测E-1#活性炭对THMs的去除率，结果显示，当温度较高时，有利于提高活性炭的吸附效果。针对不同的THMs初始浓度，随着浓度的增加，去除率有所下降，说明当浓度较高时，应该增加活性炭的用量。
参考文献
[1]贺斯佳，张硕，孙昊，等.活性炭吸附饮用水中三卤甲烷的实验研究[J].浙江大学学报（理学版)，2022，49（4）：489-497.
[2]沈恺乐，邓慧萍，沈冠杰.浙江省某水厂臭氧活性炭深度处理工艺运行效果分析[J].给水排水，2021，57（7）：26-31.
[3]易聪，王毅力，黄鑫，等.活性炭对天然有机物氯化过程消毒副产物生成的影响及作用机制[J].环境工程学报，2024，18（3）：758-765.
[4]蒋小雪，李翠清，张伟，等.改性酚醛树脂基活性炭对二氯甲烷的吸附[J].化工环保，2023，43（6）：829-837.
[5]黄格，孙建亭，郑威，等.粉末活性炭去除电氧化产水余氯的试验研究[J].环境保护科学，2024，50（2）：129-134.
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