载银活性炭

【专家解说】：摘要 ：如何对生活饮用水适度处理，从而获得健康的饮用水，以成为我们进行水质净化的最终目标。活性炭是水质净化的最佳材料，如何完善活性炭的性能，最大限度地发挥其优势，各国都在对改性活性炭进行研究。载银活性炭就是其中的一种，法国在这一领域取得了新的突破。本文就法国在这一方面的研究成果做一介绍，以便引起我国活性炭行业及水处理行业的关注。 关键词：活性炭 载银活性炭 共价键 长效抑菌 1．问题的提出 1.1活性炭在水处理中的应用及存在的问题 活性炭（GAC）已被广泛应用于水的常规处理和深度处理中。 由于活性炭自身的物理特性---超强的吸附能力，决定了它可以用来吸附水中的难闻的味道，余氯，脱色等。它已成为去除水中有机污染物的最成熟最有效的方法之一。我国清华大学的研究发现活性炭对水中氯化产生的致突变物质亦有去除作用。 然而活性炭在水处理，特别是用于饮用水深度处理的净化设备中，也存在着无法解决的问题，即活性炭介质的自身污染问题。它就像一个超级的海绵，在吸附大量的有毒有害污染物的同时，在它的微孔中会繁殖大量的细菌。实验表明，当活性炭过滤器使用到一定时间，活性炭吸附到了大量的有机污染物，而具有杀菌作用的余氯又不存在，此时微生物极易繁殖；有机物在微生物的作用下于活性炭的界面上发生分解，使有机氮逐步分解为蛋白氮、氨氮、亚硝酸盐氮，使得活性炭过滤器的出水中亚硝酸盐含量增加。这样不但达不到净化水质的目的，反而会污染水质。 1.2载银活性炭的出现 银的杀菌作用早在远古就被人类法现。在中国银餐具的使用，在国外人们在鲜牛奶中放入银币以延长牛奶的保存时间，都是最早应用银抗菌的实例。19 世纪末路易斯·巴斯德就发现将金属银放入盛水的容器中，显示出银的杀菌性能。随着科学的进步，人们发现：胶质银（粒径介于10~100nm之间的微细颗粒）能有效的对抗650种以上不同的传染疾病，另有8种病菌能够对抗胶质银。在青霉素发现以前，银是“古老的抗菌素”，国外的医生们的结论是：“纯银对人体是百益而无一害”，“许多不同种类的耐抗生素病菌都能被胶质银杀灭”。因此FDA（美国食品与卫生署）允许胶质银开架销售。 正因为银的这种抗菌性能，因此便被首选为抗菌剂的材料。在国外，抗菌制品以已形成为一项产业，我们的东邻日本在1993年就成立了“银等无机系抗菌剂研究会（银研会）”，1998年6月以“银研会”成员为基础成立了“抗菌制品技术协会”，并制定了行业标准。 还是由于银的这种抗菌特性，科学家就产生一种设想——将活性炭的吸附能力与银的抗菌性结合，生产出活性炭和银的结合产物---载银活性炭（亦叫渗银活性炭）。载银活性炭是将活性炭和银结合，使其不仅对水中有机污染物有吸附作用，还具有杀菌作用。因而在活性炭内不会滋生细菌，避免活性炭过滤器出水亚硝酸盐含量增高的问题。在世界范围内所有公开的研究中，使用的方法都是以化学浸润为基础的——这是早期技术，但这种方法并没有达到预期的效果。 2．我国目前载银活性炭的生产工艺 载银活性炭在水处理中有一定的优势，它符合“耐热性好、抗菌谱广、有效期长”的要求，是对微生物不产生耐药性的无机抗菌剂。在国内有很多企业在研究和生产载银活性炭，采用的工艺原理普遍为物理吸附法。 过去活性炭载银，人们往往直接用硝酸银（AgNO3）水溶解浸渍后干燥，此方法未改变硝酸银结构，所以一遇水便很快溶解流失。后来，有人将硝酸银转化氯化银以减少流失。目前在国内最先进的方法是采用〔Ag(NH3)2〕+ 络合物的方式，使其转变为活性炭可以吸附的物质。然后再经高温煅烧使之成为单质银和氧化亚银。活性炭对银氨络合物的吸附为物理吸附，其键能为范德华引力。 载银活性炭通常用于小型家用或集团用的净水器中，载银活性炭选用粒度20～30目的颗粒果壳炭。常用的银剂是AgNO3。渗银量以银计小于1％（重量比），当水通过载银活性炭时，银离子就会慢慢释放出来。有资料介绍，银离子在水中的浓度为0.1～0.2mg／L时就能达到杀菌目的，但此浓度已高于《生活饮用水水质标准》中0.05 mg／L银含量，我们知道银是一种重金属，是对身体有害的，在饮用水净化中是要去除的物质。如何解决载银活性炭在水处理中银的脱落问题，成为载银活性炭生产工艺的一个关键问题。 3．载银活性炭技术上的突破 3.1工艺原理 从1993 年开始， 法国科学家Cyril Heitzler 与法国国家科学院多名水处理专家经过八年多年研究试验，解决了这一世界难题，生产出了一种新型的载银活性炭（法语为CARTIS）。其基本原理是利用等离子技术实现银和炭的共价键结合。这是一种质的飞跃，使载银活性炭由传统的物理结合变为化学结合。 “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介质的物理特性 表面密度（g/cc） 0.45-0.53 包装湿度（%最大） 5 灰状物（%最大） 4 硬度（%最大） 98 比表面积： 1100--2000m2／g 碘指数（最小mg／g） 1000 吸收CCL4（％） 60－75 3.3CARTIS介质的水处理能力与普通活性炭的比较 根据美国NSF标准：1克活性炭可处理4gal的水（18200克），原水氯含量为2ppm,取除率为75%。处理能力：1：18200 CARTIS介质标准 ：1克介质可处理2,000,000克的水。 处理能力：1：2000000 结论：CARTIS介质的水处理能力是普通活性炭的109。89倍 3.4CARTIS介质的使用寿命与普通活性炭的比较： CARTIS介质的使用寿命为两年，是普通活性炭（使用寿命半年）的4倍 3.5CARTIS介质和普通载银活性炭的比较特点 银与炭的结合方式不同前者为化学结合（共价键），后者为物理结合； 前者银永远不会脱落后者会脱落； 前者的吸附能力是后者的109.89倍； 前者不会滋生细菌； 前者不需要再生后者需要再生； 3.6物理吸附（范德华健距）与化学吸附（共价键距） 物理吸附的分子可以吸收能量而激发，。换句话说，目前我们生产的载银炭，经过等离子技术处理（给以激发能量），即可达到共价键结合的形式。 4．共价键结合的载银炭用于饮用水处理的优势 这种载银活性炭用作水处理介质，处理后的水质具有如下特性： 可有效地去除余氯，重金属，有机污染物；活性炭表面的银不会脱落；口感明显改善；处理后的水保留了对人体有益的天然矿物质；水质偏碱性；溶解氧平均增加30%左右；具有长效抑制细菌，病毒，藻类的功效；特别是在桶装水生产中，不用另外进行臭氧消毒处理即可长期保鲜。且处理后的水质不易结垢。符合国内外专家公认的健康水的水质标准。 4.2长效抑菌原理 我国活性炭专家蒋仁甫教授的理论认为：由于Ag+具有较高的氧化还原电位（±0.798ev,25°），所以反应活性大（随着其价态的升高，还原势也升高），能使周围空间内的氧分子（O2）转变成原子态的氧[O]。 活性炭载上银后，在其表面分布着微量的银元素，它能起到催化活性中心的作用。这个活性中心能吸收环境的能量，激活吸附在活性炭表面的空气和水中的氧，产生羟自由基（·OH）和活性氧离子（O2-），这些物质具有很强的氧化能力，能破坏细菌细胞的增殖能力，实现抑菌或杀灭细菌的目的。 由此可知，经CARTIS介质处理后的水具有很强的氧化能力。可以长效抑制细菌的生长。达到长期保鲜的作用。 4.3溶解氧增加原理 “清洁的银蒸发膜在室温下并不对氢产生化学吸附，而氧化后的银膜则有缓慢的吸附。一般认为银也像铜那样，并不吸附分子态的氢，而是吸附原子态氢”。这样我们便可推论其和水的反应过程为： H2O ------ H2 + [O] Ag的催化 这个过程之所以缓慢，是因为它是一个吸热过程。尽管这个过程是缓慢的，它仍然造成水中溶解的氧增加1-2ppm。 4.4不易形成水垢 水垢是由水中的钙镁离子沉淀形成的。当水经过这种介质过滤的时候，在矿物质和介质的金属表面间发生电化学反应。这种反应使钙镁离子的状态发生改变，改变后的钙镁离子具有一种不易与碳酸根结合的能力，也就是说不易结垢。 4.5在法国的实验 4.5.1关于抑菌的实验 l 样品为使用BLUE P300型设备处理的水：通过过5µ粗滤芯--紫外灯--然后穿过0.5 升CARTIS介质滤芯（图中的浅绿色曲线charbon blue）。 l 对比样品⑴为只通过粗滤芯和紫外灯处理的水（图中的蓝色曲线Temon）。 l 对比样品⑵通过粗滤器和紫外灯和普通活性炭处理的水（图中的粉红色曲线charbon dorigin）。 （从安锡湖中取水样，因为自来水已经氯化或者已经被初级处理了，所以不会得出一个灭菌效果报告） 流量 : 300 l/h 进水压力 : 2 巴 使用水样 : 湖水 结果分析： 在设备出水里加入Escherichia coli 和 des Enterococcus faecalis (饮用水中的致病菌)。 根据欧洲AFNOR 标准进行分析。(44°C 以防止油脂渗入) 4.5.2在法国里昂环境卫生与健康实验室---里昂巴斯得研究所分所的实验 实验内容：银的盐析 溶解氧变化 实验结果：经过CARTIS载银活性炭处理前：银---0.020mg/L；溶解氧---4.750mg/L； 经过CARTIS载银活性炭处理后：银---0.003mg/L；溶解氧---6.200mg/L； 实验结论：CARTIS载银活性炭上的银不但不会脱落，反而可以去除水中的重金属银；经过CARTIS载银活性炭处理后水中的溶解氧平均增加30% 4．5．3技术专利 该技术荣获法国国家研究创新中心最新科技奖，法国里昂巴斯德研究所——环境卫生与健康实验室认证，得到欧洲国家专利机构承认，享有世界发明专利权。已在全世界范围内获得专利 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在中国IDM生物技术研究所的实验 4.6.1将这种新型载银活性炭用在净水器的试验结果 组别：对照组为自来水 试验组1为直接式净水器未通紫外线 试验组2为直接式净水器通紫外线 试验期：30天 水通量：每天40公斤，流速为0.9升/min 测定指标：硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、细菌总数、溶解氧和余氯 试验结果： l 硝酸盐氮、亚硝酸盐氮 表6 试验三 直接式净水器硝酸盐和亚硝酸盐试验结果 公斤 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 自来水 无紫外 有紫外 自来水 无紫外 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 溶解氧测定： 水中溶解氧的含量随着放置的时间不同而不同。通过这种介质的水溶解氧可以比自来水提高14—50%。 l 细菌总数： 从实验结果中可以看出，无论通过紫外线消毒还是不通过紫外线消毒，产水中的细菌总数均为0 cfu/ml。说明这种介质可以有效地杀灭水中的微生物，并可以防止微生物在活性炭上的生长，从而使得水中的亚硝酸盐的含量没有明显的变化。 4.6.2采用普通活性炭作为净水器净水介质的实验结果 从此实验结果可得出结论：采用普通活性炭作为净水器净水介质时，随着处理水量的增加，处理后的水中的硝酸盐含量和原自来水相比变化不明显。但是，和原自来水相比，处理后的水中的亚硝酸盐含量急剧增加，是原书水的好多倍。这说明，作为净水介质的普通活性炭已严重污染，并不能保证水质的安全。 5．经济效益及社会效益 这种新型的载银活性炭在饮用水处理上有着广阔的应用前景。利用这种新型的载银活性炭生产的水处理设备具有以下特点： 原水利用率高（99%），无废水排出；设备占地面积小；耗电小；符合节水，节地，节能的原则。 水质天然，矿质，活性，长效抑菌，符合健康饮用水的标准。 设备不会自身污染，无需对设备和处理后的水进行消毒处理。在桶瓶装水的生产工艺中去掉了臭氧设备，满足了清洁生产，保护环境的要求，使生产作业人员在一个安全的环境下工作。 另外采用这种新型的载银活性的水处理系统，运行成本低，投资回报快。 目前这种技术已获得中国卫生部的认证，已在我国的北京，上海，山东，西安等地应用。主要应用在桶瓶装水生产厂，住宅管道直饮水项目，机关团体写字楼项目，学校学生直饮水。该技术的另一个应用领域是农业的养殖业，在泰国已大面积用于养虾。我国在这方面还未尝试应用。 7．结论 载银活性炭这一技术上的突破，是饮用水处理技术的一大进步。它为我们提供了一种安全，可靠的净水介质。不但解决了饮用水的净化问题，而且解决了净化后的水的储存，保鲜输送的问题。这种新型的载银活性炭，有着广阔的应用前景，必将产生巨大的经济效益和社会效益。 8．参考文献 蒋仁甫 《载银活性炭的抗菌机理》 2003年7月 李复兴 《我们应该喝什么水？》 王占生 刘文君《微污染水源饮用水处理》 1999年10月出版 王琳 王宝贞 《饮用水深度处理技术》 2002年2月 出版 冯旭东 陈立宏《活性炭在建筑给水深度处理中的应用》2001年5月