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活性炭的再生就是用物理或化学方法在不破坏其

2019-06-05

活性炭的再生就是用物理或化学方法在不破坏其原有结构的前提下,去除吸附于活性炭微孔的吸附质,恢复其吸附性能,以便重复使用的过程。基于对活性炭的再生进行的大量研究,国内外学者提出了各种活性炭再生工艺技术,如加热再生法、湿式氧化再生法、溶剂再生法、电化学再生法、超临界流体再生法、微波辐照再生法等。这些方法各有其特点和使用范围,应根据实际使用对象进行比选,确定经济有效的方法。
 
    1  热再生法
 
    活性炭高温热再生方法是通过加热对活性炭进行热处理,使活性炭吸附的有机物在高温下炭化分解,最终成为气体逸出,从而使活性炭得到再生。高温热再生在除去炭吸附的有机物的同时,还可以除去沉积在炭表面的无机盐,而且使炭的新微孔生成,使炭的活性得到根本的恢复。
 
    热再生法是目前工艺最成熟,工业应用最多的活性炭再生方法。加热再生法再生效率高,再生时间短,应用范围广,但热再生过程中炭损失较大,一般在5%-10%,再生炭机械强度下降。另外在热再生过程中,须外加能源加热,投资及运行费用较高。任何活性炭高温加热再生装置都需要解决如何防止炭粒相互粘结,烧结成块并造成局部起火或堵塞通道,甚至导致运行瘫痪的现象。
 
 
 
 
    2  湿式氧化再生法
 
    2.1  湿式空气氧化再生法
 
    湿式氧化再生法是指在高温高压的条件下,用氧气或空气作为氧化剂,将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法。湿式氧化再生活性炭技术是20世纪70年代发展起来的一种新工艺,主要在美国和日本研究较多。Ding等研究了粉末活性炭的湿式氧化再生过程中温度、再生时间、活性炭上吸附质等条件对再生过程的影响。Gitchel等对湿式氧化再生后的活性炭进行了深入的研究。Chrest及Chornet研究了湿式氧化活性炭再生过程的动力学。Mudle等对再生过程中的反应步骤及控速步骤进行了详细的研究。同济大学环境学院以苯酚吸附等温线为评价标准,系统地研究了活性炭湿式氧化过程中的主要影响因素,并从理论上探讨了其规律性,考察了饱和炭多次循环再生的可能性。
 
    湿式氧化技术要在高温高压的条件下进行,再生条件一般为200-250℃,3-7MPa,再生时间大多在60min以内。该技术具有投资少、能耗低、工艺操作简单、再生相对效率高、活性炭损失率低、过程无二次污染、对吸附性能影响小等特点,但该技术通常用于再生粉末活性炭,适宜处理毒性高,生物难降解的吸附质。温度和压力须根据吸附质的特性而定,因为这直接影响炭的吸附性能恢复率和炭的损耗。这种方法的再生系统附属设施多,操作较麻烦。
 
    2.2  催化湿式氧化法
 
    湿式氧化法再生活性炭的过程是:吸附在活性炭表面上的有机污染物在水热环境中脱附,然后从活性炭内部向外部扩散,进入溶液;而氧从气相传输进入液相,通过产生羟基自由基(·OH)氧化脱附出来的有机物。由于湿式氧化高温高压条件较为苛刻,为此,人们考虑引入高效催化剂,采用催化湿式氧化法再生活性炭,以提高氧化反应的效率。同济大学李光明等人采用动态吸附法吸附苯酚溶液的方法,模拟活性炭的吸附饱和过程;采用浸渍法制备CuO/Al2O3催化剂,在高压反应釜中对吸附饱和的活性炭进行多相催化湿式氧化,使活性炭得以再生,并氧化分解被脱附析出的有机物。在温度210℃、氧分压0.6MPa下,反应1 h的活性炭再生效率为47.0%,出水化学需氧量367.0 mg·L-1。结果表明,该方法可有效再生活性炭,并使出水的COD明显下降。
 
    同其他活性炭再生方法比较,催化湿式氧化法具有快速、能耗低、二次污染小等特点。但是,Ding在研究粉末活性炭湿式氧化再生时发现,随着时间的延长,活性炭表面的氧化程度加强,使得活性炭中的孔系被氧化物堵塞,从而表现出再生效率下降的趋势。
 
    3  溶剂再生法
 
    溶剂再生法是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系,通过改变温度、溶剂的pH值等条件,打破吸附平衡,将吸附质从活性炭上脱附下来。
 
   根据所用溶剂的不同可分为无机溶剂再生法和有机溶剂再生法。前者用无机酸(H2SO4、HCl等)或碱(NaOH等)作为再生溶剂。厦门大学叶李艺等研究了苯酚和对氯苯酚水溶液在活性炭上的吸附平衡关系,同时采用间歇和固定床连续法研究了吸附苯酚后的活性炭碱再生工艺过程,以及多次再生对活性炭再生效率的影响,探讨了碱性溶剂再生活性炭的初步规律。南京化工大学材料科学和工程学院张果金和周永璋等利用一种新型有机再生溶剂对印染废水处理中的活性炭进行再生;后者用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂,萃取吸附在活性炭上的吸附质。
 
    溶剂再生法一般比较适用于那些可逆吸附,如对高浓度、低沸点有机废水的吸附。它的针对性较强,往往一种溶剂只能脱附某些污染物,而水处理过程中的污染物种类繁多,变化不定,因此,一种特定溶剂的应用范围较窄。采用药剂脱洗的化学再生法,有时可从再生液中回收有用的物质,再生操作可在吸附塔内进行,活性炭损失较小,但是再生不太彻底,微孔易堵塞,影响吸附性能的恢复率,多次再生后吸附性能明显降低。
 
    4  电化学再生法
 
    电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术。该方法将活性炭填充在2个主电极之间,在电解液中,加以直流电场,活性炭在电场作用下极化,一端成阳性,另一端呈阴性,形成微电解槽,在活性炭的阴极部位和阳极部位可分别发生还原反应和氧化反应,吸附在活性炭上的有机物大部分因此而分解,小部分因电泳力的作用发生脱附。厦门大学化学工程系张会平、傅志鸿等研究了pH值对苯酚在活性炭上的吸附平衡的影响以及活性炭在不同电极上的电化学再生效率的影响。他们结合有关研究结果分析认为,活性炭的电化学再生过程机理中包括电脱附,NaOH碱再生,NaClO化学氧化等过程,实验结果表明,电化学再生活性炭,具有较高的再生效率,可达到90%。此外,对工艺参数的研究表明,再生位置是活性炭再生工艺中重要的影响因素,电解质NaCl浓度是较重要的影响因素,再生电流和再生时间对活性炭的电化学再生也有一定的影响。
 
    该方法操作方便且效率高、能耗低,其处理对象所受局限性较少。若处理工艺完善,可以避免二次污染。
 
    5  超临界流体再生法
 
    许多物质在常压常温下对某些物质的溶解能力极小,而在亚临界状态或超临界状态下却具有异常大的溶解能力。在超临界状态下,稍改变压力,溶解度会产生数量级的变化。利用这种性质,可以把超临界流体作为萃取剂,通过调节操作压力来实现溶质的分离,即超临界流体萃取技术。超临界流体(SCF)的特殊性质和其技术原理确定了它用于再生活性炭的可能性。二氧化碳的临界温度31℃,近于常温,临界压力(7.2MPa)不甚高,具有无毒、不可燃、不污染环境以及易获得超临界状态等优点,是超临界流体萃取技术应用中首选的萃取剂。
 
    利用超临界流体萃取(SFE)法再生活性炭是20世纪70年代末开始发展的一项新技术。1978年,在美国环保局的资助下,R.P.Defillipi等首次用SFE法进行吸附了杀虫剂的颗粒活性炭的再生试验,效果十分显著。多年来,关于利用超临界CO2再生活性炭的研究已报道不少。1977年,美国专利、德国专利报道了用SCF再生有机聚合物吸附剂的方法。1979年,Modell首次采用超临界CO2从活性炭上再生酚。1980年,DeFilippi等进行了从活性炭上再生农药的研究。1980年,美国Critical FluidSystems Inc.得出结论:用超临界CO2再生吸附了农药或其它污染物的活性炭在经济上是合理的。1992年,日本通产省工业技术院中井敏博等人开始研究与开发超临界CO2再生活性炭技术应用于废水处理。同济大学陈皓等人以工业废水的典型污染物苯作为单一吸附质,进行了超临界二氧化碳萃取再生活性炭研究,探讨了操作温度、操作压力、CO2流速、活性炭粒度、循环再生次数等因素对再生效率及再生速率的影响。试验结果表明,超临界CO2对活性炭中的苯具有良好的再生效果。福州大学化工系臧志清、周端美以压缩二氧化碳为脱附剂,采用超临界流体萃取技术再生活性炭及回收甲苯工艺。实验表明,以液态或超临界态的压缩二氧化碳作萃取剂,采用萃取法可完全再生活性炭。
 
    通过理论分析和实验结果,证明SCF再生方法具有以下优点:(1)温度低,SCF吸附操作不改变污染物的化学性质和活性炭的原有结构,在吸附性能方面可以保持与新鲜活性炭一样;(2)在SCF再生中,活性炭无任何损耗;(3)SCF再生可以方便地收集污染物,利于重新利用或集中焚烧,切断了二次污染;(4)SCF再生可以将干燥、脱除有机物连续操作化,做到一步完成。
 
    6  微波辐照再生法
 
    当微波遇到不同材料时,会产生反射、吸收和穿透现象,这取决于材料的介电常数、介质损耗系数、比热、形状和含水量等特性。大多数导体能反射微波,所以在微波系统中,导体用来传播和反射微波能量;而绝缘体则可以将微波部分反射或被穿透;所以其吸收微波的功率小;介质的性能介于金属和绝缘体之间,具有吸收、穿透和反射微波的性能,故在微波加热系统中,被处理的物料通常是吸收微波能量的介质即有耗介质,或极性介质。
 
    微波加热技术的优越性主要表现在:(1)加热均匀,不需经过中间媒体,微波场中元温度梯度存在,故热效率高;(2)加热速度快,只需常规方法的1/100-1/10的时间就可以完成;(3)改善劳动环境和劳动作业条件;(4)由于微波能透入物料内部进行加热,物料的升温不依靠热介质由物料表面向里层传热,物料升温速度快,且由于物料表面物质的蒸发而使得物料表面温度略低于内部温度,使得整个物料的温度呈负的温度梯度状态(即内部温度高,外部温,度低),与脱附时物料内的浓度梯度的方向一致。
 
    东南大学傅大放等以新碳碘值变化为评价标准,研究吸附了十二烷基苯磺酸钠的活性炭的微波再生条件。通过正交试验,探讨了活性炭再生效率与微波功率、微波辐照时间、活性炭的吸附量等因素的关系。昆明理工大学环境科学与工程学院宁平等人进行了微波辐照再生吸附有甲苯废气活性炭的研究,并进行了载硫活性炭微波辐照解吸研究;探讨了活性炭在微波辐照条件下脱附率与活性炭量、微波功率、载气线速度及再生时间等因素的关系;对影响活性炭损耗的各种因素进行了分析。西安建筑科技大学的王宝庆等研究了吸附了乙醇的活性炭的微波再生实验,通过正交实验,探讨丁活性炭再生率与微波功率,载气线速度、微波辐照时间、活性炭的辐照量等因素的关系。
 
    微波辐照再生活性炭具有再生时间短、耗能低、彩立方平台下载构造简单、再生效率高及活性炭吸附容量恢复率高等优点,是一种经济可行的再生新技术。但由于微波的加热过程是封闭的,蒸发的物质不能及时排除,对实验的再生效果会有一定的影响。
 
 
 
结语
 
    活性炭吸附技术在废气和废水方面有其独到的优点。国内外实践证明,再生方法的经济性成为制约该法在环境工程领域更加广泛应用的主要瓶颈。因此,如何选择经济有效的再生方法成为使用活性炭吸附技术的关键所在。昆明理工大学正在研究的载苯活性炭微波再生技术(云南省自然科学基金项目)将有望在该领域贡献一种更为经济有效的再生方法。
 
活性炭具有高度发达的孔隙结构和极大的比表面积,无毒无味,对分子具有极强的吸附能力,是一种优良的吸附剂,在石化、电力、化工、食品、黄金等行业众多领域都有广泛应用。20世纪60年代初,欧美各国开始大量使用活性炭吸附法处理城市饮用水和工业废水。到20世纪70年代,粒状活性炭处理工业废水工艺开始得到应用,此后,无论是在技术上,还是在应用范围及处理规模上,活性炭吸附法处理工业废水工艺都取得了很大发展。与此同时,活性炭的消耗量也迅速增加,截至1997年底,世界活性炭消耗量达65万t;而到2004年,已经超过70万t,并以每年15%的速度递增山。在活性炭的应用过程中产生的大量废碳如不进行处理并回收利用,不仅会造成资源的浪费,还会对环境造成二次污染。因此,无论从经济效益还是从环保角度考虑,选择合适的活性炭再生技术都很有必要。www.gzmmscl.com

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