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活性炭的再生方法比较及其发展趋势研究

2020-07-14 浦士达环保


       活性炭具有巨大的比表面积、较高的孔隙率和良好的物理化学性能,其内部孔结构发达,对分子的吸附能力很强,是水处理领域中应用最多的吸附剂。活性炭常用于处理生活污水、有机废水以及水的深度净化,在溶剂回收、食品饮料提纯、空气净化、环保、医药、化工、黄金提炼、半导体、原子能、生物工程、纳米材料、高效催化剂等领域也有着广泛的应用。
       但经吸附或脱色后的废活性炭使用成本较高,废弃饱和活性炭造成资源浪费及二次污染等问题,极大限制了活性炭的应用范围。因此,活性炭再生具有重要的环境效益和经济效益。本文主要对近年来活性炭的再生方法进行介绍,比较各个方法的优缺点。
       通过梳理活性炭再生的发展状况,提出目前活性炭再生技术存在的问题以及今后的发展趋势,并对活性炭再生的进一步研究提出建议。





       1 活性炭再生原理
       活性炭的再生,就是运用物理、化学或生物化学等方法,在不破坏活性炭原有结构的前提下,将饱和吸附各种污染物的活性炭恢复其吸附性能,以达到能够重新用于吸附过程的目的。一般采取以下办法破坏其吸附平衡的状态:改变吸附质的化学性质;用对吸附质亲和力强的溶剂萃取;用对活性炭亲和力比吸附质大的物质把吸附质置换出来,然后再使置换物质脱附;使吸附物分解或氧化;降低溶剂中溶质浓度或压力;用外部加热、升高温度来改变平衡条件等,以实现活性炭的再生。
       2 活性炭的再生方法
       2.1热再生法
       热再生法是我国发展历史最长、应用最广泛的一种传统的再生方法。热再生法是在高温条件下,将吸附饱和的活性炭中的吸附质进行解吸,使活性炭原来被堵塞的孔隙打开,从而恢复其吸附性能。
       活性炭热再生一般分为干燥、热解、活化三个阶段。加热再生能够分解多种吸附质,显示出良好的通用性能,而且再生彻底,没有再生废液产生。但每再生一次,活性炭损失较大且能耗较高。
       2.2生物再生法
       生物再生法是利用在活性炭上繁殖的微生物来降解活性炭表面的吸附质,氧化分解生成二氧化碳和水,从而实现活性炭再生。这种利用微生物对吸附质的降解作用实现活性炭脱附再生的方法,具有操作简单、成本低、减少再生化学试剂的使用、降低能耗等特点,具有其他再生方法不可替代的优势。生物再生工艺包括非原位生物再生、原位生物再生(包括生物活性炭处理和固定床反应器生物再生工艺)。非原位生物再生是指将饱和吸附的活性炭加入到再生菌液中,进行活性炭的解吸再生。当微生物存在时,从活性炭上解吸进入液相主体中的物质不断地被微生物的代谢过程所消耗,从而使被处理物质不断地从活性炭转移到液相主体中。近年来有许多研究者将活性炭表面作为微生物繁衍的场所,在活性炭吸附水中有机物的同时,微生物也发挥着生物降解作用。这种具有协同作用的水处理技术和相对简单的活性炭吸附作用相结合,可使活性炭使用周期延长。
       2.3湿式氧化再生法
       湿式氧化再生法是在高温高压的环境下,以空气或者纯氧为氧化剂,把处于液相状态下的活性炭上吸附的有机物氧化分解为小分子,从而恢复其吸附性能。若在湿式氧化法的体系中加入适当催化剂,则可大幅降低活性炭上有机吸附质的分解温度,从而有效地实现低温再生,减少能耗。合适的催化剂在活性炭再生过程中起着重要作用。利用永磁旋转搅拌高压釜装置,设定氧气分压为0.10MPa,设定再生温度分别为150℃、200℃和250℃,再生时间分别为 0.5h 和 1h,共6组实验,通过对新PAC与6个再生PAC进行等温吸附实验,并计算出各再生条件下的PAC再生率,得出湿式氧化再生的最佳工艺条件为200℃、1h的工艺组合,以有机物指标DOC、COD、UV254 表征的PAC再生率分别为80.5%、83.9%、87.7%。
       2.4化学药剂再生法
       化学药剂再生法可分为无机药剂再生和有机溶剂萃取再生。无机药剂再生就是使用无机酸或碱改变溶液的酸碱值进行脱附,操作过程中不需另增再生设备,投资相对较少,工艺简单。但再生后的活性炭只能恢复到一定程度,很难完全再生。溶剂萃取再生就是使用溶剂将被吸附的有机物从活性炭上萃取下来,从而恢复吸附能力。该法可回收有用的吸附质,只是再生效率不高,易导致微孔堵塞。
       2.5微波辐射再生法
       微波是介于红外和无线电波之间的电磁波谱,其频率在0.3~300GHz( 波长 1mm~1m),用于加热技术的微波频率固定在2450MHz或900MHz。微波辐射再生活性炭是指在高温条件下,使有机物脱附、炭化、活化,进而恢复其吸附性能的一种新兴方法。
       微波加热不同于传统的加热方法,具有受热均匀快速、可局部施加能量等优点,从而可以大幅度提高处理效率,降低能耗。通过三因素四水平的正交实验,探讨了活性炭的再生效果与微波辐照的功率、时间以及活性炭吸附量等因素的关系。结果证明,微波功率低,辐照时间短,碘值变化不明显;微波功率大,辐照时间长,活性炭存在烧损现象。
       通过比较真空加热再生、加热再生和微波真空加热再生3种不同工艺下的活性炭吸附解吸实验,以吸附容量和再生率为指标,对3种再生方法进行表征。得出结论:3种工艺均对活性炭结构有所破坏,但微波真空再生后,其活性炭的净吸附容量最大,明显优于真空加热再生和加热再生后的活性炭。采用微波辅助溶剂技术,以苯胺作吸附质,比较新鲜活性炭和再生活性炭的吸附性能。研究发现,微波功率、辐照时间、脱附剂的性质是影响活性炭再生效果的主要因素,并得出微波功率700W,辐射时间120s,脱附剂pH在7.5~8.0,使用质量分数为30%的乙醇溶液,再生效果最好。利用活性吸附-微波再生技术3次循环处理了经s-Fe0或s-Fe0-Cu双金属还原降解后的染料废水,实验发现TOC的去除率大大提高,最终去除率高达80%以上,生物毒性显著下降,光抑制率也降到20%以下,能够达到安全排放的标准。
       2.6超声波再生法
       超声波作用产生能量很高的“空化泡”,“空化泡”在溶液中增大,继而破裂成小气泡,产生的高压冲击波作用于吸附剂表面,可使吸附质脱附。通过实验发现,超声波再生用来处理焦化废水中吸附饱和的粉末活性炭是可行的。以自来水为再生液,最佳的再生工艺条件为:超声波频率22kHz,超声功率200W,活性炭与再生液质量比为1∶15,pH=7,超声作用20min,活性炭再生效率高达69.39%左右。采用超声发生器作为再生设备,分别从超声作用时间、超声再生时再生液温度、超声再生时再生液的种类等几个方面,对超声波再生吸附苯酚饱和活性炭的效果进行了实验研究,最终确定了超声再生的最佳时间为20min,温度为30℃,超声再生液为0.25mol·L-1的氢氧化钠溶液时,再生效率显著提高。
       2.7电化学再生法
       电化学再生法主要用于颗粒活性炭的再生。它是将失效的活性炭填充在两个主电极之间,在电解液中加直流电场,使活性炭在电场作用下极化,形成微电解槽。一部分因电泳力作用发生脱附而使活性炭再生,一部分依靠电解产物氧化分解吸附物或与之生成絮状物。使用粒径0.9~2.0mm的煤质活性炭吸附苯酚模拟废水至饱和,用平板式电解反应器再生饱和活性炭,探讨了影响活性炭再生效率的主要因素。结果表明,再生时间对再生效果影响最大,电解质浓度次之,电流密度影响最小。并得到再生的最佳工艺条件为:再生时间5h,辅助电解质NaCl为2.00g·L-1,电流密度为3mA·cm-2,活性炭再生效率为80.29%。
       2.8超临界流体再生法
       物质的温度和压力高于其临界温度和临界压力时,称为超临界流体。由于超临界流体具有密度大、表面张力小、溶解度大、扩散性能好等特点,这种方法逐渐受到研究者的关注。目前常用的超临界流体为二氧化碳,已有研究发现其对活性炭的再生效果比较理想,且经多次循环再生,仍有较高的吸附性能。但其应用的广泛性难以证明,研究的理论基础不够深入,缺乏基础数据,仅限于实验研究,未应用于中试和工业规模研究。
       2.9光催化再生法
       光催化再生法是指在一定波长范围的光的作用下,光催化剂产生具有强氧化能力的活性物质,通过光化学反应使吸附在活性炭上的有机物被氧化分解为二氧化碳、水以及其他无机物,从而恢复活性炭的吸附性能。通过自制的气相光催化反应装置,利用气相色谱对甲苯的去除效率进行测定,评价其光催化活性和再生效果。实验发现,在紫外光的催化作用下,I-TiO2/AC 能够实现吸附饱和活性炭的原位再生。I-TiO2/AC经过250W汞灯光照射4h后再生率可达到 68.98%,气相甲苯的去除效率可达85.2%。反复再生3次,再生率几乎不变化。
       2.10其他再生方法
       除了以上几种再生方法外,离子交换再生、红外加热再生、相转移再生、高频脉冲再生、弧放电加热再生、原位蒸气再生法、浮选再生法、双极性颗粒床电极法、活性炭强制放电再生法、DBD等离子体再生法、Fenton再生法均在实际中有所应用,但大多仍处于研究阶段,未应用于大规模生产中。


 

       3 活性炭再生方法的优缺点比较
       表1对一些活性炭再生方法的优缺点进行了详细比较。
       4 存在的问题
       传统的活性炭再生方法存在着活性炭损失较大、再生后吸附能力明显下降、再生过程中会产生二次污染等问题。虽然新兴的活性炭再生方法不断发展,但在活性炭再生过程中仍有许多技术性难题需要广大研究者去攻关。由于活性炭吸附的杂质种类复杂,各种被吸附杂质性质迥异,导致活性炭再生技术的发展困难重重。此外,再生后的活性炭从再生系统分离仍有一定的难度,国内现有的分离技术并不能进行有效分离。尽管活性炭再生方法日益增加,但部分活性炭再生方法的再生效率并不高,再生速率缓慢,再生设备不够先进。有些活性炭再生方法节能增效,环保绿色,但目前对其再生机理的认识却不够深入透彻,导致活性炭再生过程的安全性无法保障。部分再生方法仅在实验室研究阶段,并不能进一步应用于大规模的生产实践。
       5 解决方法及建议
       根据活性炭再生方法及再生技术所存在的问题,相应的解决方向已经很明显。但如何进一步研究,找出突破口,仍需要我们不懈的努力与探索。目前用于水处理的活性炭多为粉末状或小颗粒状,这给分离带来了困难。实际应用中应当根据活性炭的种类和用途,以及被吸附物质的性质,选择最合理科学的再生方法。在对传统再生工艺进行不断改进的同时,还应该积极研究新的再生技术及分离技术,并尝试用多种方法对活性炭进行有效分离。同时,通过构造模型或假设演绎,对某些再生机理进行深入研究,促进更大规模的生产实践。随着活性炭的再生工艺得到不断改进,新兴的再生设备也会不断出现,高效处理装置会逐渐替代老旧设备,对提高再生效率起关键性作用。
       除了改进活性炭的再生技术,活性炭的制备技术也是需要重点关注的。与日美等发达国家相比,我国的活性炭产品品种有限,未实现品种的专业化和多样化。我国活性炭企业应当向发达国家看齐,重视新技术和新产品的研发,促进国内活性炭企业更好更快发展。另外,我国在制造活性炭时使用的活化剂消耗较大,回收率低,更应当学习借鉴日本的氯化锌法活性炭生产技术和美国的磷酸法生产活性炭技术。此外,进行原料预处理、使用催化活化剂、使用模板、利用物理化学活化制得超性能活性炭等方法,都可以在一定程度上促进活性炭制备工艺的进步。
       随着活性炭应用领域的不断扩大,利用废弃物(如农业废弃物、木质废弃物、废弃轮胎、城市污泥污水等)制备活性炭,研制具有复合机能的活性炭以及寻找廉价的粘接剂都具有极大的发展前景。



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