摘要：活性炭吸附法是去除饮用水中余氯最常用快速有效的方法之一，通过使用不同颗粒大小和不同工艺制作的活性炭滤芯去除水中余氯的性能以及对耗氧量、三氯甲烷、四氯化碳的去除效果。结果表明，活性炭颗粒越细,采用挤出工艺,余氯去除性能越好,余氯去除率在95%以上；同时耗氧量、三氯甲烷和四氯化碳去除效果越好,去除率为55%-80%。分析反应时间和活性炭投加量对余氯去除效果的影响,采用细颗粒-挤出工艺制作的活性炭滤芯,不仅能保证余氯和活性炭充分的接触时间，提高去除效率而且滤芯的活性炭成本比较合理。
关键词：活性炭;余氯;挤出工艺
余氯是指水加氯消毒在一定时间后，水中所余留的有效氯。在国内外水处理行业中，余氯作为一种高性价比、有效的杀菌消毒手段被广泛采用。一般市政自来水中必须保持一定量的余氯，以确保饮用水的微生物指标安全。但是残留的余氯在加热的过程中会生成三氯甲烷这种致癌物，长期饮用会对人体造成非常大的危害，因此自来水中余氯的有效去除成为饮用水安全问题的当务之急。
去除水中的余氯的方法一般有：活性炭法、还原性药剂法、反渗透膜法等。余氯主要是自来水用Cl2消毒后在水中残留的HClO和ClO-，这些具有氧化性的物质，会氧化反渗透膜的膜，加快其老化，使得膜的寿命缩短，增大余氯去除成本；使用还原性药剂去除余氯效果很好，但是会带来更大的饮用水安全问题，因此不宜用于在直饮水方面。活性炭法对自来水中余氯去除效果好，并且不产生二次污染。
因此采用颗粒活性炭吸附自来水中余氯，从而达到有效去除水中余氯的目的，通过使用不同颗粒直径和不同工艺制作的活性炭滤芯去除水中余氯，并比较了不同活性炭滤芯对水中余氯、耗氧量、三氯甲烷、四氯化碳的去除效果，并分析了反应时间和活性炭投加量对余氯去除效果的影响。找出适用于实际应用的更有效、更环保、更经济的去除余氯方法。
1.试验材料与方法
(1)试验用煤质活性炭材料的规格见表1.
表1 试验用煤质活性炭材料的规格
Table1 The specifications of the test coal activated carbon materials
(2)试验设计
为了比较使用不同颗粒活性炭和不同工艺制作的活性炭滤芯去除余氯性能，及耗氧量，三氯甲烷，四氯化碳的去除效果。本实验共做了四组测试，分别测试滤芯的余氯去除，耗氧量，三氯甲烷和四氯化碳的去除。每一组包含6根不同的活性炭滤芯，详细如下：
颗粒活性炭滤芯20x40和40x80，较粗颗粒的活性炭和装入塑料壳内。
烧结活性炭滤芯30x200和80x325，将活性炭和粘合剂按一定比例搅拌，搅拌均匀后，装入模具内压紧，放入烤箱烘烤一定时间后取出冷却，并加工至标准长度。
挤出活性炭滤芯30x200和80x325，搅拌好的原料加入喂料机构，喂料机构可以稳定，持续的给挤出机送料，喂料机构设置有变频电机，可以控制下面挤出机料斗的原料位置。挤出机料斗提供原料给主螺杆，持续通过加热区以便粘合剂融化，融化后的原料通过模具，模具的冷却水槽给原料冷却并成型。成型后的碳棒再经过背压设备，持续的压力可以使碳棒更加紧密，最后切割成不同的长度满足客户的要求。
此处活性炭颗粒大小如20x40单位是目数，目数是指筛网在1英寸内的孔数，如20是指每英寸筛网上有20个孔。20x40是指大部分颗粒都集中在20目与40目之间。
(3)样品分析方法
第一组余氯去除测试方法如下：
本次测试按照NSF42标准，余氯测试过水时要求600秒开/600秒关，使用预处理水并加标至2.00mg/L（±10%），控制水的pH值在7-8，TDS在200-500mg/L，控制水温度在17-23度。
第二，三，四组耗氧量，三氯甲烷，四氯化碳测试方法如下：
本次测试按照MOH标准，根据《生活饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规范一般水质处理器》（2001）、《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750-2006）和《生活饮用水标准》（GB/T 5749-2006），对不同颗粒碳棒进行卫生功能性试验和卫生安全性试验。
在产水量每200G时，检测该处理器对人工配置水中耗氧量、三氯甲烷和四氯化碳的去除率是否符合《生活饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规范—一般水质处理器》（2001）的要求。
2.结果与讨论
(1)不同活性炭滤芯去除水中余氯性能的比较
试验结果见图1。
图1 活性炭滤芯去除余氯性能的比较
图1 The performance comparison of activated carbon filter to remove residual chlorine
从图1中可以看出，活性炭颗粒越细，采用挤出工艺，余氯去除效果越好。其中采用挤出工艺制作的活性炭滤芯对余氯的去除率都在95%以上。活性炭颗粒粒径变小使内部更多孔隙向液相敞开，便于对余氯的吸附与反应，活性炭颗粒越小，脱除余氯越快，因此效果较好。
(2)不同活性炭滤芯对耗氧量,三氯甲烷,四氯化碳的去除效果的比较
图2 耗氧量去除率的比较
图2 The comparison of removal rate of oxygen consumption
图3 三氯甲烷去除率的比较
图3 The comparison of removal rate of THMS
图4 四氯化碳去除率的比较
图4 The comparison of removal rate of carbon tetrachloride
试验结果见图2、3、4。从图2-4中可以看出，采用挤出工艺制作活性炭滤芯，对水中耗氧量，三氯甲烷，四氯化碳去除率最高，分别达到了55%-80%，并且，活性炭颗粒越小，去除效果越好。
(3)反应时间对水中余氯的去除影响
活性炭的吸附原理是：活性炭颗粒的大小对吸附能力有很大影响。一般来说，活性炭颗粒越小，过滤面积就越大。所以，粉末状的活性炭总的面积最大，吸附效果最佳，但粉末状的活性炭很容易随水流出，难以控制。颗粒状的活性炭因颗粒较大不易流动。
活性炭的吸附能力和与水接触的时间成正比，接触时间越长，去除余氯性能越好，耗氧量，三氯甲烷，四氯化碳去除率越好。
颗粒活性炭滤芯是较粗颗粒的活性炭直接装入塑料壳体内，采用焊接工艺将端盖焊接在壳体两端面，壳体两端会放入过滤作用的无纺布滤片，确保活性炭颗粒不会流出。烧结和挤出活性炭滤芯是在活性炭颗粒中加入粘结剂，经高温烧结烘烤而成，这样就增加了滤芯的耐压强度。水从活性炭滤芯的外侧向内测流动，反应时间就是水在滤芯内通过的距离（外径减去内经）除以水的速度，这里的距离是一定的，而速度也是有要求的，家用净水机直接连接自来水龙头，为保证出水的一定流量，所以自来水不可能缓慢地流过活性炭。
因此，活性炭颗粒越是细小，自来水流过滤芯时水与活性炭的接触反应时间越长。而烧结和挤出工艺在活性炭颗粒中加入粘结剂，正是解决了颗粒越是细小越容易随水流出的问题，从而保证水与活性炭的接触时间。
(4)活性炭投加量的比较
本次实验所采用的活性炭型号相同（碘值相同），仅颗粒大小不同，活性炭投入量见表2。
表2 活性炭投加量的比较
Table2 The comparison of activated carbon additive amount
结合图1和表2可以看出，价格最低的20x40颗粒活性炭滤芯余氯去除效果最差，而价格最高的40x80颗粒活性炭滤芯去除余氯效果也是很差。而烧结工艺的滤芯成本要比挤出工艺的滤芯要贵，而且效果要差，所以尽可能选用挤出工艺的活性炭滤芯。其中30x200挤出活性炭滤芯最低，每只滤芯的活性炭成本只有2.01元。
3.结论
活性炭滤芯是净水设备使用较多的过滤滤芯，通过测试发现选用较细颗粒活性炭和采用挤出工艺可以使活性炭滤芯去除余氯的效果大大提高，其耗氧量，三氯甲烷，四氯化碳的去除效果也是最好的，同时成本也是最经济的。
