活性炭除過氧化氫和溴酸鹽副產物

　　在飲用水處理過程中，使用臭氧和過氧化氫的高級氧化工藝可能會產生副產品、殘留的過氧化氫和溴酸鹽。由于這些副產物可能會對后續含水層系統的生態系統造成不良影響，因此在流入含水層系統之前需要將其處理至低濃度。本次主要是評估水中高級氧化工藝中殘留的過氧化氫和溴酸鹽副產物是否能用活性炭去除，并研究其背后的機制。

　　活性炭的批量吸附測試

　　在對50家飲用水公用設施進行的調查中，獲得過氧化氫和溴化物的平均值來當做測試用水。在所有實驗中，批量反應器都用薄箔包裹。制備0.052µmol/L溴酸鈉溶液并加入間歇反應器中以獲得0.5µmol/L溴酸鹽的濃度。高級氧化工藝中的出水殘留過氧化氫濃度不會超過180µmol/L。因此，在本研究中，將150µmol/過氧化氫加入到間歇式反應器中。如圖1所示，在23–27℃的環境溫度下，使用36個批次玻璃瓶進行了一系列實驗。活性炭用量始終為5g/L，過氧化氫和溴酸鹽濃度始終分別為150µmol/L和0.5µmol/L。所有裝有過氧化氫的間歇式反應器都用鋁箔覆蓋，以防止過氧化氫被光潛在降解。在如圖1所示的實驗中，使用16個間歇式反應器和三種不同的活性炭(活性炭、再生活性炭和預加載活性炭)來研究不同運行時間的活性炭對溴酸鹽和過氧化氫的去除，該實驗涉及八個處理組。

　　圖1：反應器示意圖。

　　三種不同使用時間的活性炭去除過氧化氫和溴酸鹽

　　三種活性炭在180分鐘內的過氧化氫和溴酸鹽去除效率分別顯示在圖2。如圖中示出三種活性炭中，活性炭有很好的溴酸鹽去除能力(81%)。在沒有活性炭的間歇式反應器中沒有觀察到溴酸鹽去除，表明溴酸鹽在180分鐘的短實驗時間內沒有自分解或被微生物分解。預加載的活性炭根本沒有去除溴酸鹽，活性炭的去除率隨著操作時間的增加而明顯下降，可能是由于飲用水處理廠中存在的天然有機物在前兩年預加載，活性炭表面的活性位點或有效官能團已耗盡。似乎3.8%溴酸鹽被再生活性炭去除，這與之前的研究報告一致，與再生活性炭相比，活性炭對溴酸鹽有更好的去除效果。該結果表明熱再生在一定程度上恢復了活性炭表面的活性位點或官能團。總之，這些結果表明，在實際運行一段時間后，甚至在再生后，活性炭可能對溴酸鹽去除無效。如圖2b所示，在沒有活性炭的情況下，過氧化氫在180分鐘內沒有分解，表明其他組中過氧化氫的減少是由活性炭而不是其他因素引起的。預加載活性炭和活性炭組之間沒有觀察到明顯差異。過氧化氫再生活性炭組去除率略低于預裝活性炭組。活性炭再生和再循環略微降低了過氧化氫去除能力，但再生后的活性炭仍然能夠有效地去除殘留的過氧化氫。以往的研究表明，活性炭可用于去除用水處理高級氧化工藝后殘留的過氧化氫，且活性炭的催化活性與持續暴露于過氧化氫無關，而與其活性炭表面理化性質有關。

　　圖2：(a)溴酸鹽和(b)過氧化氫被不同類型的活性炭去除。

　　溴酸鹽通過吸附或還原去除?

　　圖3顯示了在存在和不存在過氧化氫的情況下，活性炭對溴酸鹽的去除以及相應的反應產物溴的增加。在這兩種情況下，溴酸鹽濃度逐漸降低，相應地溴濃度隨時間逐漸增加。反應器中溴酸鹽和溴的摩爾質量在前6分鐘略有下降后趨于穩定。這種輕微的下降可能是由活性炭吸附引起的。隨著溴酸鹽的減少，溴逐漸增加表明活性炭去除溴酸鹽主要是一個還原過程，這可能涉及表面官能團和溴酸鹽之間的氧化還原反應。顯然，150µmol/過氧化氫的存在顯著抑制了活性炭對溴酸鹽的去除。圖3表明，過氧化氫的加入改變了活性炭表面的理化性質，導致活性炭表面酸性和堿性含氧官能團顯著減少，從而降低了官能團的反應效率。當這幾種污染物共存時，可能存在對活性炭含氧官能團和吸附活性位點的競爭，這也是過氧化氫抑制溴酸鹽去除的原因之一。此外，通過比較圖3a、b，觀察到由于過氧化氫的存在，溴在溴酸鹽中的質量損失。在過氧化氫分解過程中，會產生少量的OH·。OH·可以進一步氧化溴轉化為中間產物，如次溴酸和溴酸鹽，這可以解釋在溴酸鹽添加情況下溴的質量損失。

　　圖3：各種溴酸鹽與不存在和存在過氧化氫的情況下的濃度(a)有過氧化氫，(b)沒有過氧化氫。

　　活性炭除過氧化氫和溴酸鹽副產物的處理過程中，專用活性炭具有很多的酸性和堿性表面官能團，相應地它表現出較高的溴酸鹽去除率。然而，經過兩年運行和熱再生后，活性炭幾乎不再去除溴酸鹽。但是在實驗中，5g/L活性炭在80分鐘內將過氧化氫從150μmol/L降低到<3μmol/L，并且去除效率不受活性炭運行時間或再生的明顯影響。溴酸鹽與表面官能團之間的氧化還原反應在活性炭去除溴酸鹽中起主導作用，溴酸鹽被活性炭吸附去除。

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