載銀活性炭

【專家解說】：摘要 ：如何對生活飲用水適度處理，從而獲得健康的飲用水，以成為我們進行水質(zhì)凈化的最終目標?；钚蕴渴撬|(zhì)凈化的最佳材料，如何完善活性炭的性能，最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，各國都在對改性活性炭進行研究。載銀活性炭就是其中的一種，法國在這一領域取得了新的突破。本文就法國在這一方面的研究成果做一介紹，以便引起我國活性炭行業(yè)及水處理行業(yè)的關注。 關鍵詞：活性炭 載銀活性炭 共價鍵 長效抑菌 1．問題的提出 1.1活性炭在水處理中的應用及存在的問題 活性炭（GAC）已被廣泛應用于水的常規(guī)處理和深度處理中。 由于活性炭自身的物理特性---超強的吸附能力，決定了它可以用來吸附水中的難聞的味道，余氯，脫色等。它已成為去除水中有機污染物的最成熟最有效的方法之一。我國清華大學的研究發(fā)現(xiàn)活性炭對水中氯化產(chǎn)生的致突變物質(zhì)亦有去除作用。 然而活性炭在水處理，特別是用于飲用水深度處理的凈化設備中，也存在著無法解決的問題，即活性炭介質(zhì)的自身污染問題。它就像一個超級的海綿，在吸附大量的有毒有害污染物的同時，在它的微孔中會繁殖大量的細菌。實驗表明，當活性炭過濾器使用到一定時間，活性炭吸附到了大量的有機污染物，而具有殺菌作用的余氯又不存在，此時微生物極易繁殖；有機物在微生物的作用下于活性炭的界面上發(fā)生分解，使有機氮逐步分解為蛋白氮、氨氮、亞硝酸鹽氮，使得活性炭過濾器的出水中亞硝酸鹽含量增加。這樣不但達不到凈化水質(zhì)的目的，反而會污染水質(zhì)。 1.2載銀活性炭的出現(xiàn) 銀的殺菌作用早在遠古就被人類法現(xiàn)。在中國銀餐具的使用，在國外人們在鮮牛奶中放入銀幣以延長牛奶的保存時間，都是最早應用銀抗菌的實例。19 世紀末路易斯·巴斯德就發(fā)現(xiàn)將金屬銀放入盛水的容器中，顯示出銀的殺菌性能。隨著科學的進步，人們發(fā)現(xiàn)：膠質(zhì)銀（粒徑介于10~100nm之間的微細顆粒）能有效的對抗650種以上不同的傳染疾病，另有8種病菌能夠?qū)鼓z質(zhì)銀。在青霉素發(fā)現(xiàn)以前，銀是“古老的抗菌素”，國外的醫(yī)生們的結(jié)論是：“純銀對人體是百益而無一害”，“許多不同種類的耐抗生素病菌都能被膠質(zhì)銀殺滅”。因此FDA（美國食品與衛(wèi)生署）允許膠質(zhì)銀開架銷售。 正因為銀的這種抗菌性能，因此便被首選為抗菌劑的材料。在國外，抗菌制品以已形成為一項產(chǎn)業(yè)，我們的東鄰日本在1993年就成立了“銀等無機系抗菌劑研究會（銀研會）”，1998年6月以“銀研會”成員為基礎成立了“抗菌制品技術協(xié)會”，并制定了行業(yè)標準。 還是由于銀的這種抗菌特性，科學家就產(chǎn)生一種設想——將活性炭的吸附能力與銀的抗菌性結(jié)合，生產(chǎn)出活性炭和銀的結(jié)合產(chǎn)物---載銀活性炭（亦叫滲銀活性炭）。載銀活性炭是將活性炭和銀結(jié)合，使其不僅對水中有機污染物有吸附作用，還具有殺菌作用。因而在活性炭內(nèi)不會滋生細菌，避免活性炭過濾器出水亞硝酸鹽含量增高的問題。在世界范圍內(nèi)所有公開的研究中，使用的方法都是以化學浸潤為基礎的——這是早期技術，但這種方法并沒有達到預期的效果。 2．我國目前載銀活性炭的生產(chǎn)工藝 載銀活性炭在水處理中有一定的優(yōu)勢，它符合“耐熱性好、抗菌譜廣、有效期長”的要求，是對微生物不產(chǎn)生耐藥性的無機抗菌劑。在國內(nèi)有很多企業(yè)在研究和生產(chǎn)載銀活性炭，采用的工藝原理普遍為物理吸附法。 過去活性炭載銀，人們往往直接用硝酸銀（AgNO3）水溶解浸漬后干燥，此方法未改變硝酸銀結(jié)構(gòu)，所以一遇水便很快溶解流失。后來，有人將硝酸銀轉(zhuǎn)化氯化銀以減少流失。目前在國內(nèi)最先進的方法是采用〔Ag(NH3)2〕+ 絡合物的方式，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚蕴靠梢晕降奈镔|(zhì)。然后再經(jīng)高溫煅燒使之成為單質(zhì)銀和氧化亞銀?；钚蕴繉︺y氨絡合物的吸附為物理吸附，其鍵能為范德華引力。 載銀活性炭通常用于小型家用或集團用的凈水器中，載銀活性炭選用粒度20～30目的顆粒果殼炭。常用的銀劑是AgNO3。滲銀量以銀計小于1％（重量比），當水通過載銀活性炭時，銀離子就會慢慢釋放出來。有資料介紹，銀離子在水中的濃度為0.1～0.2mg／L時就能達到殺菌目的，但此濃度已高于《生活飲用水水質(zhì)標準》中0.05 mg／L銀含量，我們知道銀是一種重金屬，是對身體有害的，在飲用水凈化中是要去除的物質(zhì)。如何解決載銀活性炭在水處理中銀的脫落問題，成為載銀活性炭生產(chǎn)工藝的一個關鍵問題。 3．載銀活性炭技術上的突破 3.1工藝原理 從1993 年開始， 法國科學家Cyril Heitzler 與法國國家科學院多名水處理專家經(jīng)過八年多年研究試驗，解決了這一世界難題，生產(chǎn)出了一種新型的載銀活性炭（法語為CARTIS）。其基本原理是利用等離子技術實現(xiàn)銀和炭的共價鍵結(jié)合。這是一種質(zhì)的飛躍，使載銀活性炭由傳統(tǒng)的物理結(jié)合變?yōu)榛瘜W結(jié)合。 “CARTIS”---The name comes from the Acronym, in French, of : “Silverized Carbon produced by Internal Surfacing Treatment”. Its a new “molecule” of Carbon and Silver bound by very strong (covalent) links in a cold Plasma environment. 3.2CARTIS介質(zhì)的物理特性 表面密度（g/cc） 0.45-0.53 包裝濕度（%最大） 5 灰狀物（%最大） 4 硬度（%最大） 98 比表面積： 1100--2000m2／g 碘指數(shù)（最小mg／g） 1000 吸收CCL4（％） 60－75 3.3CARTIS介質(zhì)的水處理能力與普通活性炭的比較 根據(jù)美國NSF標準：1克活性炭可處理4gal的水（18200克），原水氯含量為2ppm,取除率為75%。處理能力：1：18200 CARTIS介質(zhì)標準 ：1克介質(zhì)可處理2,000,000克的水。 處理能力：1：2000000 結(jié)論：CARTIS介質(zhì)的水處理能力是普通活性炭的109。89倍 3.4CARTIS介質(zhì)的使用壽命與普通活性炭的比較： CARTIS介質(zhì)的使用壽命為兩年，是普通活性炭（使用壽命半年）的4倍 3.5CARTIS介質(zhì)和普通載銀活性炭的比較特點 銀與炭的結(jié)合方式不同前者為化學結(jié)合（共價鍵），后者為物理結(jié)合； 前者銀永遠不會脫落后者會脫落； 前者的吸附能力是后者的109.89倍； 前者不會滋生細菌； 前者不需要再生后者需要再生； 3.6物理吸附（范德華健距）與化學吸附（共價鍵距） 物理吸附的分子可以吸收能量而激發(fā)，。換句話說，目前我們生產(chǎn)的載銀炭，經(jīng)過等離子技術處理（給以激發(fā)能量），即可達到共價鍵結(jié)合的形式。 4．共價鍵結(jié)合的載銀炭用于飲用水處理的優(yōu)勢 這種載銀活性炭用作水處理介質(zhì)，處理后的水質(zhì)具有如下特性： 可有效地去除余氯，重金屬，有機污染物；活性炭表面的銀不會脫落；口感明顯改善；處理后的水保留了對人體有益的天然礦物質(zhì)；水質(zhì)偏堿性；溶解氧平均增加30%左右；具有長效抑制細菌，病毒，藻類的功效；特別是在桶裝水生產(chǎn)中，不用另外進行臭氧消毒處理即可長期保鮮。且處理后的水質(zhì)不易結(jié)垢。符合國內(nèi)外專家公認的健康水的水質(zhì)標準。 4.2長效抑菌原理 我國活性炭專家蔣仁甫教授的理論認為：由于Ag+具有較高的氧化還原電位（±0.798ev,25°），所以反應活性大（隨著其價態(tài)的升高，還原勢也升高），能使周圍空間內(nèi)的氧分子（O2）轉(zhuǎn)變成原子態(tài)的氧[O]。 活性炭載上銀后，在其表面分布著微量的銀元素，它能起到催化活性中心的作用。這個活性中心能吸收環(huán)境的能量，激活吸附在活性炭表面的空氣和水中的氧，產(chǎn)生羥自由基（·OH）和活性氧離子（O2-），這些物質(zhì)具有很強的氧化能力，能破壞細菌細胞的增殖能力，實現(xiàn)抑菌或殺滅細菌的目的。 由此可知，經(jīng)CARTIS介質(zhì)處理后的水具有很強的氧化能力?？梢蚤L效抑制細菌的生長。達到長期保鮮的作用。 4.3溶解氧增加原理 “清潔的銀蒸發(fā)膜在室溫下并不對氫產(chǎn)生化學吸附，而氧化后的銀膜則有緩慢的吸附。一般認為銀也像銅那樣，并不吸附分子態(tài)的氫，而是吸附原子態(tài)氫”。這樣我們便可推論其和水的反應過程為： H2O ------ H2 + [O] Ag的催化 這個過程之所以緩慢，是因為它是一個吸熱過程。盡管這個過程是緩慢的，它仍然造成水中溶解的氧增加1-2ppm。 4.4不易形成水垢 水垢是由水中的鈣鎂離子沉淀形成的。當水經(jīng)過這種介質(zhì)過濾的時候，在礦物質(zhì)和介質(zhì)的金屬表面間發(fā)生電化學反應。這種反應使鈣鎂離子的狀態(tài)發(fā)生改變，改變后的鈣鎂離子具有一種不易與碳酸根結(jié)合的能力，也就是說不易結(jié)垢。 4.5在法國的實驗 4.5.1關于抑菌的實驗 l 樣品為使用BLUE P300型設備處理的水：通過過5µ粗濾芯--紫外燈--然后穿過0.5 升CARTIS介質(zhì)濾芯（圖中的淺綠色曲線charbon blue）。 l 對比樣品⑴為只通過粗濾芯和紫外燈處理的水（圖中的藍色曲線Temon）。 l 對比樣品⑵通過粗濾器和紫外燈和普通活性炭處理的水（圖中的粉紅色曲線charbon dorigin）。 （從安錫湖中取水樣，因為自來水已經(jīng)氯化或者已經(jīng)被初級處理了，所以不會得出一個滅菌效果報告） 流量 : 300 l/h 進水壓力 : 2 巴 使用水樣 : 湖水 結(jié)果分析： 在設備出水里加入Escherichia coli 和 des Enterococcus faecalis (飲用水中的致病菌)。 根據(jù)歐洲AFNOR 標準進行分析。(44°C 以防止油脂滲入) 4.5.2在法國里昂環(huán)境衛(wèi)生與健康實驗室---里昂巴斯得研究所分所的實驗 實驗內(nèi)容：銀的鹽析 溶解氧變化 實驗結(jié)果：經(jīng)過CARTIS載銀活性炭處理前：銀---0.020mg/L；溶解氧---4.750mg/L； 經(jīng)過CARTIS載銀活性炭處理后：銀---0.003mg/L；溶解氧---6.200mg/L； 實驗結(jié)論：CARTIS載銀活性炭上的銀不但不會脫落，反而可以去除水中的重金屬銀；經(jīng)過CARTIS載銀活性炭處理后水中的溶解氧平均增加30% 4．5．3技術專利 該技術榮獲法國國家研究創(chuàng)新中心最新科技獎，法國里昂巴斯德研究所——環(huán)境衛(wèi)生與健康實驗室認證，得到歐洲國家專利機構(gòu)承認，享有世界發(fā)明專利權。已在全世界范圍內(nèi)獲得專利 CARTIS Patents’ International publication N° : WO 98/47819 International request N° : PCT/IB98/00619, confirmed by Switzerland, China and OAPI for the moment. Classification N° : C02F 1/50 Registrant & Inventor: Mr. Hervé GALLION (owner) 4．6在中國IDM生物技術研究所的實驗 4.6.1將這種新型載銀活性炭用在凈水器的試驗結(jié)果 組別：對照組為自來水 試驗組1為直接式凈水器未通紫外線 試驗組2為直接式凈水器通紫外線 試驗期：30天 水通量：每天40公斤，流速為0.9升/min 測定指標：硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、細菌總數(shù)、溶解氧和余氯 試驗結(jié)果： l 硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮 表6 試驗三 直接式凈水器硝酸鹽和亞硝酸鹽試驗結(jié)果 公斤 硝酸鹽氮 亞硝酸鹽氮 自來水 無紫外 有紫外 自來水 無紫外 有紫外 40 1.12 1.62 0.78 0.01 0.0096 0.0188 240 0.9 1.172 1.204 0.0116 0.0124 0.0148 440 1.048 1.248 1.06 0.0428 0.0488 0.026 640 0.84 1.24 0.848 0.0062 0.0084 0.0064 840 1.0 0.872 0.76 0.0192 0.0128 0.016 1040 0.952 0.616 0.90 0.013 0.0142 0.0206 1240 0.824 0.8 0.828 0.0118 0.0116 0.0196 l 溶解氧測定： 水中溶解氧的含量隨著放置的時間不同而不同。通過這種介質(zhì)的水溶解氧可以比自來水提高14—50%。 l 細菌總數(shù)： 從實驗結(jié)果中可以看出，無論通過紫外線消毒還是不通過紫外線消毒，產(chǎn)水中的細菌總數(shù)均為0 cfu/ml。說明這種介質(zhì)可以有效地殺滅水中的微生物，并可以防止微生物在活性炭上的生長，從而使得水中的亞硝酸鹽的含量沒有明顯的變化。 4.6.2采用普通活性炭作為凈水器凈水介質(zhì)的實驗結(jié)果 從此實驗結(jié)果可得出結(jié)論：采用普通活性炭作為凈水器凈水介質(zhì)時，隨著處理水量的增加，處理后的水中的硝酸鹽含量和原自來水相比變化不明顯。但是，和原自來水相比，處理后的水中的亞硝酸鹽含量急劇增加，是原書水的好多倍。這說明，作為凈水介質(zhì)的普通活性炭已嚴重污染，并不能保證水質(zhì)的安全。 5．經(jīng)濟效益及社會效益 這種新型的載銀活性炭在飲用水處理上有著廣闊的應用前景。利用這種新型的載銀活性炭生產(chǎn)的水處理設備具有以下特點： 原水利用率高（99%），無廢水排出；設備占地面積小；耗電?。环瞎?jié)水，節(jié)地，節(jié)能的原則。 水質(zhì)天然，礦質(zhì)，活性，長效抑菌，符合健康飲用水的標準。 設備不會自身污染，無需對設備和處理后的水進行消毒處理。在桶瓶裝水的生產(chǎn)工藝中去掉了臭氧設備，滿足了清潔生產(chǎn)，保護環(huán)境的要求，使生產(chǎn)作業(yè)人員在一個安全的環(huán)境下工作。 另外采用這種新型的載銀活性的水處理系統(tǒng)，運行成本低，投資回報快。 目前這種技術已獲得中國衛(wèi)生部的認證，已在我國的北京，上海，山東，西安等地應用。主要應用在桶瓶裝水生產(chǎn)廠，住宅管道直飲水項目，機關團體寫字樓項目，學校學生直飲水。該技術的另一個應用領域是農(nóng)業(yè)的養(yǎng)殖業(yè)，在泰國已大面積用于養(yǎng)蝦。我國在這方面還未嘗試應用。 7．結(jié)論 載銀活性炭這一技術上的突破，是飲用水處理技術的一大進步。它為我們提供了一種安全，可靠的凈水介質(zhì)。不但解決了飲用水的凈化問題，而且解決了凈化后的水的儲存，保鮮輸送的問題。這種新型的載銀活性炭，有著廣闊的應用前景，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 8．參考文獻 蔣仁甫 《載銀活性炭的抗菌機理》 2003年7月 李復興 《我們應該喝什么水？》 王占生 劉文君《微污染水源飲用水處理》 1999年10月出版 王琳 王寶貞 《飲用水深度處理技術》 2002年2月 出版 馮旭東 陳立宏《活性炭在建筑給水深度處理中的應用》2001年5月