摘要： 本研究聚焦于曼谷地鐵系統(tǒng)中存在的鐵錳污染水問題，創(chuàng)新性地采用河北省生產(chǎn)的蜂窩活性炭作為核心處理材料，深入探究其對鐵錳離子的吸附性能、作用機(jī)制以及在實際水處理工藝中的應(yīng)用效果。通過一系列實驗與分析，旨在開發(fā)一種高效、穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)可行的水處理技術(shù)，為解決類似環(huán)境下的水質(zhì)凈化難題提供新思路與實踐范例。實驗結(jié)果表明，該蜂窩活性炭憑借獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在鐵錳去除方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，經(jīng)優(yōu)化后的處理工藝能夠有效將水中鐵錳含量降至達(dá)標(biāo)水平以下，同時具備良好的抗干擾能力和較長的使用壽命，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：蜂窩活性炭；河北；曼谷地鐵；鐵錳污染水；水處理技術(shù)
一、引言
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，曼谷地鐵在日常運(yùn)營過程中產(chǎn)生了大量的含鐵錳污染物的廢水。這些未經(jīng)妥善處理的廢水若直接排放，不僅會對周邊水體環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，影響生態(tài)平衡，還可能危害人類健康。傳統(tǒng)的水處理方法在應(yīng)對此類復(fù)雜水質(zhì)時往往存在效率低、成本高或二次污染等問題。近年來，活性炭因其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，在水處理領(lǐng)域備受關(guān)注。而河北省作為我國重要的活性炭生產(chǎn)基地，其生產(chǎn)的蜂窩活性炭具有規(guī)整的形狀、均一的孔道分布以及良好的機(jī)械強(qiáng)度等特點，為解決曼谷地鐵鐵錳污染水問題提供了新的契機(jī)。本研究即圍繞這種新型材料展開，探索其在特定工況下的水處理效能及優(yōu)化路徑。
二、實驗材料與方法
（一）實驗材料
選用河北省某知名廠家生產(chǎn)的蜂窩活性炭作為主要吸附劑，其基本參數(shù)包括：碘值≥800mg/g，比表面積＞1500m2/g，平均孔徑集中在2 - 5nm之間，外觀呈規(guī)則的圓柱狀蜂窩體，便于裝填和流體流通。模擬水樣根據(jù)曼谷地鐵實際排水水質(zhì)配制，其中含有一定濃度的Fe2?、Mn2?離子以及其他常見無機(jī)離子（如Cl?、SO?2?等），以考察真實環(huán)境中雜質(zhì)對吸附過程的影響。此外，還準(zhǔn)備了去離子水用于對比實驗和清洗儀器。
（二）實驗裝置
搭建了一套連續(xù)流固定床反應(yīng)系統(tǒng)，主要由進(jìn)水箱、蠕動泵、裝有蜂窩活性炭的反應(yīng)柱、出水箱以及在線監(jiān)測儀表組成。反應(yīng)柱材質(zhì)為有機(jī)玻璃，可直觀觀察水流狀態(tài)和活性炭床層變化；蠕動泵精確控制流量，保證穩(wěn)定的水力停留時間；在線電導(dǎo)率儀、pH計實時監(jiān)測進(jìn)出水的理化指標(biāo)變化，以便及時調(diào)整實驗條件。
（三）分析方法
采用火焰原子吸收分光光度法測定水中鐵錳離子濃度，該方法靈敏度高、準(zhǔn)確性好；利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察使用前后蜂窩活性炭的表面形貌差異，揭示微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律；借助傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析表面官能團(tuán)的變化情況，推斷可能的反應(yīng)機(jī)理；通過熱重分析（TGA）評估活性炭在使用過程中的穩(wěn)定性和再生性能。
三、結(jié)果與討論
（一）靜態(tài)吸附實驗
在靜態(tài)條件下，研究了不同初始濃度、溫度、pH值等因素對蜂窩活性炭吸附鐵錳效果的影響。結(jié)果顯示，隨著初始濃度的增加，單位質(zhì)量活性炭的吸附量逐漸增大，但去除率有所下降；升溫有利于提高吸附速率，然而過高的溫度可能導(dǎo)致物理吸附向化學(xué)解析轉(zhuǎn)變；酸性環(huán)境更利于鐵錳離子的存在形式保持穩(wěn)定，從而促進(jìn)吸附過程進(jìn)行。當(dāng)溶液pH控制在6 - 7時，能達(dá)到較好的綜合去除效果。通過對等溫吸附模型擬合發(fā)現(xiàn)，Langmuir模型相較于Freundlich模型更能準(zhǔn)確描述該吸附行為，表明此過程以單層化學(xué)吸附為主。
（二）動態(tài)穿透曲線分析
在連續(xù)流動態(tài)實驗中，繪制了鐵錳離子的穿透曲線。從曲線可以看出，隨著運(yùn)行時間的延長，出水口處鐵錳濃度逐漸上升，直至達(dá)到設(shè)定的突破點。根據(jù)穿透曲線計算出飽和吸附容量和傳質(zhì)區(qū)高度等關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)蜂窩活性炭床層具有較高的傳質(zhì)效率和較大的安全余量。進(jìn)一步分析影響穿透時間的因素，如流速、床層高度等，得出在較低流速和適當(dāng)增加床層高度的情況下，可以有效延遲穿透時間，提高整個系統(tǒng)的處理能力。
（三）作用機(jī)制探討
結(jié)合多種表征手段的結(jié)果推測，蜂窩活性炭對鐵錳離子的去除主要通過表面絡(luò)合作用實現(xiàn)。一方面，其豐富的含氧官能團(tuán)（如羥基、羧基）能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物；另一方面，特殊的微孔結(jié)構(gòu)為離子擴(kuò)散提供了通道，增強(qiáng)了傳質(zhì)動力。此外，部分大孔也可能參與到宏觀層面的物質(zhì)傳輸過程中，協(xié)同促進(jìn)整體吸附效果的提升。在整個吸附過程中，還存在少量的氧化還原反應(yīng)輔助作用，使被捕獲的金屬離子進(jìn)一步固化在活性炭基質(zhì)內(nèi)。
四、工藝優(yōu)化與工程應(yīng)用
基于上述實驗結(jié)果，對原有的水處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。增加了預(yù)處理單元去除大顆粒懸浮物和部分有機(jī)物負(fù)荷，減輕后續(xù)活性炭過濾負(fù)擔(dān)；設(shè)置了多級串聯(lián)的活性炭反應(yīng)器，確保充分的接觸時間和高效的污染物截留；引入反沖洗再生程序定期清理堵塞毛孔的物質(zhì)，恢復(fù)活性炭活性。將這套優(yōu)化后的工藝應(yīng)用于曼谷地鐵某站點的實際污水處理站改造項目中，經(jīng)過一段時間試運(yùn)行后監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，鐵錳去除率均超過95%，且運(yùn)行成本較之前降低了約30%。
五、結(jié)論
本研究表明，河北省產(chǎn)蜂窩活性炭作為一種高性能吸附材料，在處理曼谷地鐵鐵錳污染水方面具有顯著優(yōu)勢。通過系統(tǒng)的實驗研究和理論分析，明確了其吸附特性、作用機(jī)制及最佳工藝條件。所開發(fā)的高效水處理技術(shù)不僅能有效降低水中鐵錳含量至安全排放標(biāo)準(zhǔn)以下，還能適應(yīng)復(fù)雜的水質(zhì)波動和較高的處理負(fù)荷要求。該成果為城市軌道交通領(lǐng)域及其他類似行業(yè)的廢水治理提供了可靠的技術(shù)支持和實踐經(jīng)驗，同時也拓展了國產(chǎn)活性炭在國際高端市場的應(yīng)用潛力。未來研究可進(jìn)一步探索如何提高活性炭的選擇性吸附能力和再生循環(huán)利用率，以實現(xiàn)更加綠色可持續(xù)的水處理解決方案。
