饮用水嗅味问题是供水行业普遍关注的热点问题。导致饮用水出现嗅味问题的致嗅物质种类较多，其中最为常见的是2-甲基异莰醇（2-MIB）和土臭素（GSM）^〔1〕。水体中的这2种嗅味物质通常由藻类代谢产生。当水体环境适宜产嗅藻生长时，水中产嗅藻类数量会大幅增长，嗅味物质浓度显著升高，其中2-MIB和GSM质量浓度可达数十、数百甚至数千ng/L，远远超出这2种嗅味物质的嗅阈值（10 ng/L）。由于传统的混凝-沉淀-过滤-消毒工艺很难有效去除水中的2-MIB和GSM^〔2〕，因此，当水源水中这2种嗅味物质浓度较高时，采用传统净水工艺的供水企业必须采取有效的应急预处理以降低水中嗅味物质浓度。

国内外研究报道和实践应用表明，粉末活性炭（PAC）吸附是供水行业应用最广的嗅味应急处理方法^〔3-5〕。PAC生产原料广泛，其中煤质PAC因其具备较好的沉降性和低廉的价格，尤其受到供水企业的青睐。但是由于受到产地、原料、生产工艺等因素影响，市售的PAC品质往往相差较大，其各种性能指标也存在显著差异，这对供水企业选购PAC用于饮用水嗅味应急处理造成了极大困扰。因此，为了更好地选择PAC应对饮用水嗅味问题，有必要深入研究PAC主要性能指标对其吸附去除水中2-MIB和GSM效能的影响，进而明确PAC选择依据，提高利用PAC应对水源嗅味问题的有效性和经济性。

本研究选取5种市售煤质PAC开展了水中2-MIB和GSM的吸附试验，考察了PAC主要性能指标对其吸附去除水中2-MIB和GSM效能的影响，明确了用于去除水中2-MIB和GSM的PAC选择的主要参考指标，以期为供水企业选购PAC用于应对水源季节性嗅味问题提供一定的技术参考。

煤质粉末活性炭：试验共使用5种煤质粉末活性炭，其中3种产地分别为河北（记为PAC-B）、天津（记为PAC-T）和山西（记为PAC-S），另外2种产地均为河南（分别记为PAC-N-1和PAC-N-2）。5种PAC的粒度均满足200目筛网（孔径75 μm）通过率大于90%。每种PAC在使用前均洗涤并烘干。

标准物质：2-MIB+GSM混标溶液（质量浓度均为100 mg/L）、2-仲丁基-3-甲氧基吡嗪（纯度99%），均购自西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司。稀释用水为超纯水。

其他试剂：碘（粒状），天津市科密欧化学试剂有限公司；亚甲蓝，阿法埃莎（中国）化学有限公司；苯酚，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。以上试剂均为分析纯。

采用超纯水稀释2-MIB+GSM混标溶液配制理论质量浓度均为1 000 ng/L的2-MIB和GSM混合溶液，以此作为试验原水。将其充分搅拌均匀并静置10 min，待其稳定后取样，测定水中2-MIB和GSM浓度，作为原水初始浓度。将稳定后的试验原水分装至5个1 000 mL具塞溶解氧瓶中，分别投加10 mg/L的PAC-B、PAC-T、PAC-S、PAC-N-1、PAC-N-2，采用磁力搅拌器在800 r/min下搅拌吸附60 min。取样，用0.45 μm滤膜过滤，测定滤液中的2-MIB和GSM浓度。水中2-MIB和GSM浓度采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用法（气相色谱-质谱联用仪型号为Agilent 7890B/5977B）测定，具体测定步骤参考文献〔6〕。

PAC表面积和孔容积采用全自动比表面积及孔隙度分析仪（美国麦克ASAP2460），通过N₂-吸附脱附等温线，利用BET和NLDFT模型得到；采用傅立叶红外光谱仪（赛默飞，NICOLET iS10）测定PAC在4 000~400 cm^-1范围内的吸收光谱；碘吸附值、亚甲蓝吸附值、苯酚吸附值均参考标准GB/T 7702.7—2008测定。

PAC表面酸性官能团和碱性官能团含量采用Boehm滴定法^〔7〕进行测定。准确称取2份质量为1 g的PAC样品置于250 mL碘量瓶中，分别加入30 mL浓度为0.05 mol/L的NaOH和HCl标准溶液，在室温下振摇24 h。过滤，取10 mL滤液稀释至50 mL，分别用HCl和NaOH标准溶液进行滴定，记录体积V_HCl和V_NaOH。按照式（1）和式（2）计算酸性官能团和碱性官能团含量（单位为mmol/g），其中，m为活性炭质量，单位为g。

(1)

(2)

图 1显示了吸附时间为60 min时5种PAC对水中2-MIB和GSM的吸附去除效果。

由图 1可以看出，在相同条件下，5种PAC对2种嗅味物质显示出不同的吸附去除效果。具体来看，对于2-MIB，采用PAC-B、PAC-T、PAC-S、PAC-N-1和PAC-N-2的吸附去除率分别为67.0%、77.5%、80.1%、80.9%和68.2%，吸附量大小依次为PAC-N-1 > PAC-S > PAC-T > PAC-N-2 > PAC-B；而对于GSM，采用PAC-B、PAC-T、PAC-S、PAC-N-1和PAC-N-2的吸附去除率分别为93.9%、99.7%、95.9%、95.3%和92.8%，吸附量大小依次为PAC-T > PAC-S > PAC-N-1 > PAC-B > PAC-N-2，两者顺序并不一致。就同一种PAC而言，其对于GSM的吸附量比2-MIB的吸附量要高出21.9%~34.3%。由此可见，水中的2-MIB和GSM都能被PAC有效吸附，但针对GSM的吸附要相对容易，且吸附2-MIB效果较好的PAC并不一定在吸附GSM时仍具有相对优势，这就意味着决定2-MIB和GSM吸附效果的关键性指标可能存在差异。

图 2给出了PAC总比表面积和微孔比表面积随孔径的累积曲线。

由图 2可以看出，5种PAC的总比表面积和微孔（d < 2 nm）比表面积由大到小均依次为PAC-S > PAC-T > PAC-N-1 > PAC-N-2 > PAC-B，且微孔比表面积占据了总比表面积的主要部分。

本研究将d < 2 nm微孔区间进一步划分成0.64~1.0 nm、1.0~1.2 nm和1.2~2.0 nm 3个区间，利用IBM SPSS Statistics 26软件对不同孔径区间PAC比表面积与2种嗅味物质的吸附量进行相关性分析，结果如表 1所示。

由表 1可以看出，BET比表面积与2种嗅味物质的吸附量之间均没有明显的相关性，因此，在嗅味物质吸附研究中被广泛关注的PAC的BET比表面积并不具备显著的参考价值^〔8〕。中孔（2 nm < d < 50 nm）比表面积与2-MIB和GSM的吸附量之间也没有明显的相关性，说明PAC中孔不是2-MIB和GSM的主要吸附区域。相较于BET比表面积和中孔比表面积，微孔比表面积与2种嗅味物质的吸附量之间显示出了更好的相关性。具体来看，2-MIB吸附量与微孔比表面积具有明显的相关性（P=0.907），尤其与1.0~1.2 nm孔径区间微孔的比表面积显著相关（P=0.976），这与G. NEWCOMBE等^〔9〕的研究结果相符。对于GSM，其吸附量与微孔比表面积未显示出明显的相关性（P=0.765），但是与0.64~1.0 nm孔径区间微孔的比表面积显著相关（P=0.963）。

分别对2-MIB吸附量和1.0~1.2 nm孔径区间比表面积、GSM吸附量和0.64~1.0 nm孔径区间比表面积进行线性拟合，结果如图 3所示。

由图 3可以看出，2-MIB吸附量和1.0~1.2 nm孔径区间的比表面积、GSM吸附量和0.64~1.0nm孔径区间的比表面积均具有良好的线性相关性，R²分别达到0.952和0.927。这种现象表明，2-MIB和GSM被PAC吸附所占据的主要孔径区域是存在差异的，这可能与2-MIB和GSM的分子结构存在差异有关。如图 4所示，虽然2种物质的球形分子直径都被认为是0.6nm，但是2-MIB分子的空间结构更加立体^〔10〕，而PAC中的孔一般是狭缝形的裂隙孔而不是规则的圆孔，因此，结构更加扁平的GSM更容易吸附在0.64~1.0 nm孔径区间的微孔中，2-MIB则主要吸附在1.0~1.2 nm孔径区间的微孔中，这与S. KASAOKA等^〔11〕提出的“有机化合物吸附在孔隙中的宽度为吸附质最大直径的1.5~2倍”的观点相符。在这些孔隙中，因为尺寸原因，这2种物质很容易与周围的孔壁发生化学或者物理作用，从而达到被吸附的效果。

PAC孔容积与比表面积呈线性相关，皮尔逊相关系数高达1.000，因此不再单独分析PAC孔容积与PAC吸附2-MIB和GSM效能的相关性。

碘吸附值是厂商经常提供的表征活性炭吸附能力的重要指标。碘分子的直径为0.68 nm^〔12〕，与2-MIB和GSM的分子直径相近。如表 2所示，5种PAC碘值由大到小依次为PAC-S > PAC-N-1 > PAC-T > PAC-N-2 > PAC-B，其与5种PAC对2-MIB吸附量的大小顺序基本一致。进一步将2-MIB吸附量与碘值进行相关性分析（见表 1），可以发现碘值与2-MIB吸附量之间呈现显著的相关关系（P=0.979，Sig.=0.005）。此外还发现，碘值与1.0~1.2 nm孔径区间微孔的比表面积显著相关（P=0.996，Sig.=0.004）。上述结果说明，碘被PAC吸附所占据的孔径区间与2-MIB被吸附所占据的孔径区间具有很高的一致性，选取PAC用于吸附水中2-MIB时，碘值可以作为一项重要的参考指标。然而，碘值与GSM吸附量的拟合并未显现出明显的相关性，这可能是因为它们被PAC吸附所占据的孔径范围存在差异所引起的。由于本试验结果和大量文献都表明，GSM比2-MIB更容易被PAC所吸附^〔13〕，因此，对于供水企业来讲，当需要同步去除2-MIB和GSM这2种嗅味物质时，碘值仍可以作为选择PAC的参考指标。

亚甲蓝吸附值同样是厂商经常提供的表征活性炭吸附能力的重要指标。相关性分析结果显示，亚甲蓝吸附值（见表 2）与0.64~1.0 nm和1.0~1.2 nm微孔比表面积均不存在相关关系，但与1.2~2.0 nm孔径区间微孔的比表面积具有显著的相关性（P=0.987，Sig.=0.002），这表明亚甲蓝被PAC吸附所占据的孔主要分布在1.2~2.0 nm区间。此外，并未发现亚甲蓝吸附值与2-MIB和GSM吸附量之间存在相关关系（见表 1）。如图 4所示，亚甲蓝的分子尺寸明显大于2-MIB和GSM，其被吸附所占据的主要孔径区间为1.2~2.0nm，与2种嗅味物质被吸附所占据的主要孔径区间并不一致。由此可见，选购PAC用于吸附水中2-MIB和GSM时，亚甲蓝吸附值的参考价值相对较弱。

苯酚是水体中常见的有机污染物，苯酚吸附值也是表征活性炭吸附有机物能力的重要指标。苯酚的分子尺寸为0.57 nm×0.43 nm，与2-MIB和GSM的分子尺寸相近^〔14〕，并且同样有羟基官能团。但是研究中并未发现苯酚吸附值（见表 2）与2-MIB和GSM吸附量之间存在相关性（见表 1），与各孔径区间的比表面积也没有表现出明显的相关性。因此，苯酚吸附值不能作为PAC吸附水中2-MIB和GSM效能的评价指标。

采用Boehm滴定法和FTIR吸收光谱法进行PAC表面官能团分析，结果分别如表 2和图 5所示。

研究发现，碱性官能团和酸性官能团含量（见表 2）与2-MIB和GSM吸附量之间均没有显著的相关性。由图 5可以看出，5种PAC的FTIR峰型基本一致，说明5种PAC所含的官能团种类基本一致。此外，图 5中2 800~3 400 cm^-1处宽而强的吸收峰对应羧基中的羟基（O—H），1 720 cm^-1附近的吸收带对应于酯、醛、酮基和羧基中的羰基（C=O）^〔15〕，1 600 cm^-1和1 400 cm^-1附近的吸收峰分别对应于—COO^-的反对称伸缩振动和对称伸缩振动^〔16〕，吸收峰的强度与表 2所示的Boehm滴定的结果具有一致性，PAC-S和PAC-N-2表面具有更多的酸性官能团。再由图 3可知，PAC-S和PAC-N-2的吸附能力略低于预期水平，而更加饱和的PAC-N-1的吸附能力略高于预期水平，因此可以认为，对2-MIB和GSM的吸附效能来讲，PAC表面酸性官能团虽然不是主要影响因素，但可能存在一定的抑制作用。

通过文献和实地调研发现，用于应对水源季节性嗅味问题的PAC投量一般在10~50 mg/L之间（与原水中2-MIB、GSM等嗅味物质含量以及天然有机物含量等因素密切相关），按照PAC价格为6 000元/t计算，则吨水运行成本增加0.06~0.30元。作为短期应急处理使用时，运行费用增加值处于供水企业可接受的范围内。

（1）水中的2-MIB和GSM都能被PAC有效吸附，但对GSM的吸附要相对容易，且吸附2-MIB效果较好的PAC并不一定在吸附GSM时仍具有相对优势。

（2）2-MIB吸附量和GSM吸附量分别与1.0~1.2 nm、0.64~1.0 nm孔径区间微孔的比表面积（或孔容积）显著相关，相应孔径区间微孔的比表面积（或孔容积）是影响PAC对这2种嗅味物质吸附能力的主要控制因素。

（3）碘吸附值与2-MIB吸附量以及1.0~1.2 nm孔径区间微孔的比表面积存在显著的相关性，碘值大小能够代表PAC吸附2-MIB的能力，可以作为选购PAC用于吸附水中2-MIB的重要依据。

（4）亚甲蓝吸附值、酚值、PAC表面酸和碱性官能团含量与2种嗅味物质的吸附量之间均没有明显的相关关系，因此不能作为PAC吸附这2种嗅味物质能力的判断依据。