介绍

碳工业在其制造过程和碳的工作原理方面已经走过了漫长的道路。在第二次世界大战期间，日本切断了椰子壳基活性炭（AC）的供应，美国制造业从军事资金中获得了一个重大开端，该活性炭用于保护美国军队使用防毒面具碳装置抵御德国使用的有毒气体。战争结束时，GAC的第一个主要应用是饮用水。

该应用程序已经发展并且仍在增长。活性炭是世界上应用最广泛的过滤 介质 ; 它的空气和水的重要治疗。估计世界每年的AC消费量为170万吨，年增长率为10％。当碳吸附器被定期监控和维护时，会形成一道屏障，提供安全，优质的饮用水。

来源，形式，粒度和过程

AC饮用水应用的主要原料是椰子壳和烟煤。次要来源包括木材和褐煤。活性炭是结构无序的碳形式，由几乎任何起始碳含量为60％或更多的材料制成。商业制造是两阶段加热窑烘烤过程以增加碳含量，然后蒸汽活化以增加纳米级的微孔性。蒸汽从碳化焦炭中除去碳原子以提供活性物理吸附站点。通过改变蒸汽活化时间来制造一系列产品。形式包括粉末状或粉状，颗粒状，颗粒状，珠状，碳块，纤维，附聚碳以及织物或纸的复合物。粉状和颗粒状是用于饮用水的主要形式。在全球范围内，由于经济原因，销售的粉末比粒状粉末更多。

颗粒具有优于粉末的优点，因为使用的AC可以多次重新激活; 粉末是一次性使用的材料。颗粒用于柱子或床中以提供连续加工，粉末提供批量加工。颗粒可以将污染物水平降低到未检测到，而粉末批处理提供平衡，并且一些污染物保留在成品水中。颗粒的容量是粉末的五倍，效率更高。使用粉末进行反洗以保持头部压力不需要柱和硬件。将粉末加入澄清器工艺用水中并接触和沉淀允许时间将用过的粉末碳从污泥中分离出来。如果只有周期性的夏季味道和气味问题，那么手头上的粉末可能是最好的选择。一些简单的，实验室大小的瓶子测试可以确定粉末AC剂量。碳就像一个保险单; 它已准备好让流程不安。

ASTM的粒度分布值（平均粒径，均匀系数和有效尺寸）是重要的规格。ASTM提供了评估AC生命周期阶段的主要测试方法（1）。提高ASTM测试生产率的软件程序可用于分析粒径mm和粉末微米尺寸，并估算特定应用所需的AC量（2）。

图1. 活性炭局部孔结构示意图

行动机制

当AC用特定化学品浸渍时，活性炭以不同的方式起作用：物理过滤，物理吸附，活性试剂，催化剂，吸收和目标化学吸附。物理吸附现象对于饮用水应用是最重要的。AC的分子吸附性质是由构成纳米孔（或吸附空间）的壁的原子与原子水平的水溶性污染物 分子之间存在的吸引力的相互作用产生的。其吸附能力大由AC颗粒中复杂的，三维轮廓的，互连的多孔网络产生的结果。活性炭内表面积和孔体积是外表面积和颗粒本身体积的几倍。商业AC具有高内表面积（约1,000m 2 / g），具有大的内部孔体积，每克0.3至3mL。IUPAC根据孔隙的宽度对吸附剂中的孔隙度进行了分类.3最大的孔隙或吸附空间，称为大孔（通孔），宽度为100至50纳米; 中间孔，称为中孔，宽50至2nm。最小的孔（<2nm）被称为微孔（吸附 孔）并且每体积具有最高的吸附能（AE）。它们的局部互连和分布如图1所示。

通过改变液态汞中的 AC颗粒的汞压力以获得液体侵入或从外部到内部的液体来确定大孔。水银不会注入AC; 它需要压力才能注入大孔。强迫汞需要的压力 进入微孔是超出实际的仪器。大孔尺寸和引起侵入的压力之间的相关性用于绘制大孔尺寸。微孔率由低压和温度氮等温线确定。商业AC的碳含量约为90％。石墨板的尺寸和血小板之间的间距取决于制造过程中的原料和工艺参数。椰子壳提供最大和最紧密的石墨片，紧随其后的是烟煤基AC; 木基AC具有最小的血小板，血小板之间具有更多的开放空间，因此具有较低的表观密度和机械强度。图2提供了椰子壳成品AC中石墨片的区域互连和间距分布的示意图。吸附 毛孔。

图2. 活性炭的区域孔结构示意图

味道和气味去除

客户可以快速记录饮用水的颜色，味道和气味。活性炭是很好已知能改善这些特性。颜色可归因于有机物，例如来自生物质降解的单宁酸，或无机物，例如高浓度的三价铁。活性炭可以很好地去除有机物，如果是无机的，则只能略微去除。离子交换（IEx）可用于去除无机物。活性炭用于保护IEx免受氧化和有机污染 ; 将廉价的AC放在昂贵的IEx 媒体面前。饮用水中的氯味和气味是防止微生物保护的积极证据，但在饮用或烹饪之前应去除其味道和气味。Carbons 在国内应用中使用小型碳基最终过滤器做得非常好。

活性炭是一种比铜金属稍弱的还原剂。饮用水次氯酸酸是由碳转化为无味氯离子。这是一种消耗碳的化学反应。由于次氯酸酸 浓度低时，碳降解是不明显的，因为它是冲出吸附器。（将半茶匙GAC颗粒放入烧杯中，然后加入漂白剂将显示降解;即，颗粒快速液化。）饮用水 -植物GAC床脱氯进水，但随后可在将水分配到水之前进行再氯化顾客。

碳作为还原剂的另一个例子是它与臭氧一起使用。臭氧是一种有效的预处理方法，可使碳持续更长时间。臭氧将水中的大分子转化为微小的碎片，微生物可以矿化成二氧化碳和水。过量的臭氧，其具有香味，通过转化成氧的活性炭，一个的另一示例的氧化 - 还原化学反应。所有这些反应都会发热。在水中，热量会消散，但在蒸汽状态下，爆炸是可能的。需要以足够的流量管理放热 或冷却。

如果要去除水或空气中存在的氧化剂，应考虑AC; 然而，这涉及放热反应*。活性炭最大的安全问题是密闭容器，因为AC吸附氧气并导致窒息。活性炭颗粒可以在AC微孔中将1-大气压空气浓缩至7-8atm。职业安全与健康管理局（OSHA）对进入低氧环境（如封闭血管中的AC）具有特定的规则和规定。但总的来说，碳是一种非常安全的材料。

粒径和质量传递区

粒度对于水厂和使用碳的小型家庭单位非常重要。越小越好，但太小会阻止重力水流过过程吸附器。较小的颗粒相对于内部颗粒体积提供更多的外表面。因此，分子可以更快地扩散到粒子中心，以获得完整的粒子利用率。扩散是活性炭对有机 污染物物理吸附的最慢步骤。使吸附剂快速活化微孔活性位点需要时间。重要的是具有适当分布的GAC颗粒以维持水流动通过吸附器。从历史上看，GAC取代了砂滤器 ; 今天，沙子常被用作GAC 过滤器。沙子或其他暗渠材料也需要定期测试和更换。像碳一样，它们不会永远持续下去。

当市政水处理厂运行时，它们需要床顶部的小颗粒和底部的大颗粒。小颗粒更紧密地配合在一起，并且通过横截面具有更小的直接流动。这些小间隙形成了一个有效的过滤器，可以清除流入水中的碎屑。这些碎片构建了一个过滤器 的蛋糕，可以反冲洗和去除。通常，过滤器 反洗是自动完成的。当GAC 过滤器头压力达到控制极限时，对过滤器进行反洗以除去滤饼并恢复正常的头部压力。反洗意味着逆转通过GAC 床的流量。这增加了AC工作床的高度和松开收集过滤饼 ; 它被排水管带到合适的排水管。不要将其放回进水浸水器中。

当活性炭吸附或发生化学反应时，放出热量。这种放出的热量可以用作现场测试，以定性评估剩余的使用寿命。水或溶剂中的有机 分子具有无序运动和高熵; 当它们被吸引到碳表面时，它们是高度有序的。这种从无序到有序的转变导致分子能量的损失，其表示为热量。 

非常重要的是慢慢排出反洗后的水，使所有的颗粒回到原来的地层，小的顶部和大的底部。在新碳投入使用之前，进行反洗以去除灰尘和尺寸过小的颗粒和碎片，并获得适当的粒度分布。重要的是通过多个生命周期 反冲洗事件来维持粒度分布。与上板的污染物的颗粒与所述平衡液体相。如果将一个小而脏的颗粒移到床的底部，现在将其浸泡在清洁的水中，其中一些车载污染物将被释放到污水中（成品水）。当反洗床沉降太快时会发生这种情况。

市政GAC床通常为3至10英尺深。在小型家用空调装置中，颗粒紧密堆积，因此它们在床上的位置不会随时间而变化。市政床通常被配置为一起提供多个床，有效地增加了碳床的总高度。在进水和出水之间具有正确的GAC阻隔量是非常重要的。更高的污染风险发生需要更深层次的GAC接触器来保护消费者。在水厂中，GAC通常持续三到五年。饮用水花了GAC可以以原始或未使用的GAC成本的一半进行炉再活化。重新激活过程类似于激活。碳床建立传质区（MTZ）。通常，目标是将MTZ保持在床中以用于目标或受管制的污染物，尽管不需要除去水中的所有化合物。实际操作对于不同的化合物具有多个MTZ ; MTZ的大小和形状取决于许多因素，例如GAC 粒径，粒子活度，流速，接触时间温度，竞争吸附物的存在等。较小的颗粒或较慢的流速导致更有利和更小的MTZ。减小MTZ的尺寸和形状可提供每磅活性炭处理的加仑中更好的碳利用率。因此，碳持续时间更长，工艺参数更好。

讨论

自2006年以来，饮用水的氯化被认为是安全的，因此接受水的氯化和食品卫生作为主要的公共卫生福利。有许多形式的氯，最广泛用于饮用水，废水，食品，游泳池，冷却水系统和表面消毒的消毒剂。因此，人类暴露于各种氯化学品。显而易见的问题是，“ 氯 消毒的风险 - 收益是什么？”

新泽西州泽西市是美国第一个在1906年继续使用次氯酸钙的大城市。在氯化之前，伤寒导致的死亡率为每10万人80人。后加氯，这些利率下降，到1936年，在美国伤寒被根除由于使用所有的主要城市氯 消毒。氯作为氧化剂和卤化剂非常活泼; 已经鉴定了数百个单独的氯化 DBP。它们易于检测，因此我们倾向于关注它们。氯会氧化微生物的细胞壁和/或病毒，细菌和细菌的 DNA原生动物。然而，隐孢子虫 原生动物对氯有抗性，但对二氧化氯无抗性。氯化水通过几乎任何活性炭的简单通过消除了氯的味道和气味。这种能力将超过有机 吸附。

在过去的几年里，氯胺已经取代或补充了氯。它是在水厂通过向次氯酸盐中加入氨而制成的。氯胺的反应性低于氯，消毒剂也较少。它被用作分配和储存的二级消毒剂，因为它持续时间更长。一氯胺对铅中的军团菌控制非常有效; 由于其持久性和非常疏水性，它可以渗透生物膜。活性炭是高质量饮用水的重要来源。虽然大城市的碳装置每天增加水费，但这是一种非常划算的治疗方法战略。10至40年前建造的许多饮用水厂应考虑通过添加活性炭吸附剂来改进其工艺。这将有助于减少客户投诉，改善饮用水质量并具有成本效益。除去氯的经典活性炭不会与氯胺反应。已开发出催化碳以除去氯胺，形成两种无害的产物，氮和氯离子。