活性炭再生技術研究進展

                                                      2016年05月27日

                                                      活性炭再生(或稱活化),是指用物理或化學方法在不破壞活性炭原有結構的前提下,將吸附于活性炭微 孔的吸附質予以去除,恢復其吸附性能,達到重復使用的目的(翁元聲,2004)。由于活性炭本身價格較高,若只使用一次就丟棄極不經濟,造成資源浪費,成本增加。如何高效再生吸附飽和的活性炭以達到經濟合理利用,已成為活性炭工業中必須重點解決的問題,同時亦是國內外研發的熱點。 

                                                       

                                                      1 活性炭的再生依據   活性炭吸附過程,吸附質、活性炭及溶劑三者間由于親和力的不同而形成一定的吸附平衡關系,要使吸附質脫離就要采取各種辦法來改變平衡條件,其根據是:1)改變吸附質的化學性質;2)用對吸附質親和力強的溶劑萃取;3)用對活性炭親和力比吸附質大的物質把吸附質置換出來,然后再使置換物質脫附,活性炭得到再生;4)用外部加熱、升高溫度的辦法改變平衡條件;5)用降低溶劑中溶質濃度(或壓力)的方法脫附;6)使吸附物(有機物)分解或氧化而除去(黃律先,1996)。

                                                       

                                                      2 活性炭的再生方法   采用何種方法進行活性炭再生主要取決于活性炭的類型和吸附物質的性質,同時再生操作要保證不使影響活性炭吸附性能的主要微孔容積損失太多。目前,國內外所采用和正在發展之中的活性炭再生方法主要有以下幾種。

                                                       

                                                      211 熱再生法 熱再生是目前應用最多、工業上最成熟的活性炭再生方法(Rajeshetal.,2005),其原理是將濕炭用高溫氣體慢慢干燥,在加熱過程中,被吸附的有機物按其性質不同,通過水蒸氣蒸餾、解吸或熱分解這些過程,以解吸、炭化、氧化的形式從活性炭的基質上消除(炭素材料學會,1984);钚蕴吭谠偕^程中,根據加熱到不同溫度時有機物的變化,一般分為干燥、高溫炭化及活化3個階段(Chenetal.,2005)。熱再生操作簡單,成本低,但是其不能完全消除活性炭中的污染物,并且吸附性能沒有得到很大的提高;同時由于所需溫度較高,燒失也較大,造成得率較低(Sabioetal.,2004;Guetal.,2005)。另一方面,Gonzalez2Martςn等(2002)研究表明,熱再生可以提高活性炭的表面疏水性

                                                       

                                                      212 生物再生法 生物再生是利用微生物將吸附在活性炭上的污染物質氧化降解(Cláudiaetal.,2006)。微生物的分解效果在于:在活性炭顆粒周圍生長了一層嫌氣性生物膜,分解被吸附的高分子物質或者生物分解度低的物質。通過這種作用使難于被吸附的分解產物解吸,再通過外側的好氣性微生物而被氧化。生物法簡單易行,投資和運行費用較低,但所需時間較長,受水質和溫度的影響很大。微生物處理污染物的針對性很強,需特定物質專門馴化。且在降解過程中一般不能將所有的有機物徹底分解成CO2和H2O,其中間產物仍殘留在活性炭上,積累在微孔中,多次循環后再生效率會明顯降低(Ashvinietal.,2005)。

                                                       

                                                      213 濕式氧化再生法 活性炭濕式氧化再生是在高溫高壓條件下,用氧氣或空氣作為氧化劑,將處于液相狀態下活性炭上吸附的有機物氧化分解成小分子的一種處理方法。濕式氧化再生法處理對象廣泛,反應時間短,再生效率穩定。利用失效炭本身氧化熱來維持反應系統溫度,再生過程中無需另外加熱。但濕式再生氧化也存在不足:1)隨吸附種類不同,氧化難易程度相差很大,需選用催化劑,增加了成本;2)降低活性炭吸附性能,氧化液和廢氣需進一步處理;3)最佳氧化溫度不易控制;4)所需設備需耐腐蝕、耐高壓(Shendeetal.,2002)。

                                                       

                                                      214 溶劑萃取再生法 溶劑萃取再生法是利用活性炭、溶劑與被吸附質三者之間的相平衡關系,通過改變溫度、溶劑的pH值等條件,打破吸附平衡,使吸附質從活性炭上脫附下來(Furuyaetal.,,2004)。根據所用溶劑的不同可分為無機溶劑再生法和有機溶劑再生法。1)無機藥劑再生,是指用無機酸(硫酸、鹽酸)或堿(氫氧化鈉)等藥劑使吸附質脫除,又稱酸堿再生法。例如用氫氧化鈉溶液洗滌吸附高濃度酚的炭,脫附的酚以酚鈉鹽形式被回收。吸附廢水中重金屬的炭也可用此法再生,再生藥劑可使用HCl等。2)有機溶劑再生,采用乙醇(Tanthapanichakoonetal.,2005)、苯、丙酮及甲醇(Aluisioetal.,2006)等有機溶劑,萃取吸附活性炭中的吸附質。例如吸附高濃度酚的炭、焦化廠煤氣洗滌廢水用活性炭處理后的飽和炭等均可用有機溶劑再生。溶劑再生法對于被吸附物質為大分子有機物質或分子結構中支鏈較多的有機物質來說,因“瓶頸效應”或“章魚效應”,溶劑再生效率較低。在被吸附物種類較多、成分較為復雜時,通常需要幾種以上的萃取劑。另外,由于有些化學溶劑會腐蝕活性炭表面,破壞活性炭的細孔結構,降低活性炭的吸附容量和機械強度(周明華等,2005)。

                                                       

                                                      215 電化學再生法 近年來,電化學高級氧化技術作為一種新發展的高級氧化技術因其處理效果好、操作簡便、環境友好等優點,引起了極大關注(Wuetal.,2001)。該方法將活性炭填充在2個主電極之間,在電解液中,加以直流電場,活性炭在電場作用下極化,一端成陽極,另一端呈陰極,形成微電解槽,在活性炭的陰極部位和陽極部位可分別發生還原反應和氧化反應,吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解,小部分因電泳力作用發生脫附。Brown等(2004)、Zhang(2002)等研究表明,電化學再生的效率與電流強度、電解液類型和濃度、再生時間等有關

                                                       

                                                      216 微波輻射再生法 微波輻射再生法是在熱再生法基礎上發展起來的活性炭再生技術;钚蕴克降奈劫|中大多數是強極性物質,它們比活性炭吸收微波的能力強,因此可以用熱解吸的方法來再生(Hoetal.,2005)。在微波場中,活性炭中吸附的極性物質分子受到誘導而產生偶極轉向極化,將電磁場能轉化為熱能。被吸附在孔道中的水和有機物質受熱揮發和炭化,使活性炭的孔道重新打開。同時,活性炭本身要吸收微波而升溫,燒失一部分炭,使孔徑擴大(立本英機等,2002)。Ania等(2005)研究,用2450MHz的微波再生,與傳統的熱再生相比,其耗時短、再生效率高,可以生成微孔發達的活性炭。微波再生活性炭作為一種高效、節能、省時的再生技術,顯示了巨大的潛力和優勢

                                                       

                                                      217 超聲波再生法 超聲波再生是20世紀90年代發展起來的一項新技術。超聲波作用可以使吸附劑和吸附質之間的物理結合減弱。在水溶液中,由于超聲波的作用產生了高能的“空化泡”,“空化泡”在溶液中不斷長大,爆裂成小氣泡,并在這些小氣泡內部和界面產生局部高溫高壓,導致了H2O分裂成-OH形式存在,同時產生了高壓沖擊波作用于吸附劑表面,使有機污染物質通過熱分解和氧化作用得到有效的分離(Jae2Limetal.,2005;王三反,1998)。Hamdaoui等(2005)報道,在超聲波條件下,加入乙醇和NaOH可以明顯增大失效活性炭的五氯苯酚的解析量,活性炭的解析速率隨超聲波頻率增大而增大。超聲再生具有能耗小、工藝及設備簡單、炭損失小、可回收有用物質等優點,具有較好的發展前景。

                                                       

                                                      218 超臨界CO2萃取再生法 物質的溫度和壓力高于其臨界溫度和臨界壓力時,稱為超臨界流體(supercriticalfluids,SCF)。超臨界流體萃取(supercriticalfluidsextraction,SFE)法再生活性炭是20世紀70年代末開始發展的一項新技術。SCF具有密度大、表面張力小、擴散系數大、溶解度大、傳質速率高、擴散性能好(陳皓等,2001;Mosheetal.,1999),與固體活性炭不相溶,且對活性炭表面存在活化作用等優點(臧志清等,1998;Valee,1990),是再生活性炭的理想溶劑。依據SCF萃取原理,利用SCF作為溶劑,將吸附在活性炭上的有機物擴散并溶解于SCF之中。研究表明,超臨界CO2對活性炭的再生效果比較理想,在較溫和的條件下就可達到較理想的再生效率,并且經多次循環使用再生后,活性炭仍能保持較高的吸附性能(Kazuyukietal.,1997)。其不足之處是:設備投資大,運行成本高。

                                                       

                                                      219 臭氧氧化再生法 臭氧氧化再生法是用臭氧做氧化劑將吸附在活性炭上的有機物氧化分解,實現活性炭再生的方法(Shengetal.,2000;童少平等,2005)。臭氧氧化再生會使活性炭表面酸性官能團增多,吸附苯酚的能力下降,所以必須找出合適的臭氧用量,在不改變活性炭表面化學性質的條件下,除去苯酚和其他氧化副產物(Alvarezetal.,2004)。

                                                       

                                                      2110 光催化再生法 TiO2光催化技術是近年發展起來的一種發展前景看好的環境友好氧化技術,其顯著特點是在借助光催 化劑表面受光子激發產生的高活性強氧化劑?OH自由基,將水體中絕大多數的有機及部分無機污染物氧化,使其逐步氧化降解,最終生成CO2、H2O等無害或低毒物質(Huang,2003;Herrmannetal.,1999;劉守新等,2003),從而實現活性炭的光催化再生。近年來,研究人員開展了許多TiO2光催化再生活性炭的研究,如:用TiO2光催化再生處理印染廢水的活性炭,可以使有機污染物分解為H2O和CO2,光催化再生與印染廢水的濃度、pH值以及其他鹽類和無機物有關(Ameena,2003)。光催化再生型活性炭在其吸附達到飽和后,不需要其他步驟,直接在紫外光照射下即可實現原位再生,再生工藝簡單,設備操作容易,生產規?梢噪S意控制,且可以使用日光輻射,能耗低。因此,光催化再生的研究具有重要意義。其不足之處是:耗時長,處理效果尚不十分令人滿意。

                                                       

                                                      2111 其他再生方法 活性炭再生的目的即除去吸附質,恢復活性炭吸附性能。由于吸附質種類繁多,性質各異,從而決定了再生方法的多樣性。除上面介紹的幾種主要方法外,其他方法如:放電高溫電加熱法(翁元聲,2004)、新型“相轉移”再生法(周明華等,2005)、催化濕式氧化法(李光明等,2004)、高頻脈沖再生法(呂德隆等,1996)

                                                       
                                                      來源:東莞市立凈碳業化工有限公司

                                                      在線客服

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