活性炭再生技術(shù)研究進展和發(fā)展趨勢

吳 琪，宋乾武，曾燕艷，代晉國，李 志

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

活性炭再生技術(shù)研究進展和發(fā)展趨勢

吳 琪，宋乾武，曾燕艷，代晉國，李 志

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

綜述了用于水處理領(lǐng)域的活性炭再生技術(shù)研究進展；分析了目前活性炭各種再生方法的優(yōu)缺點，包括熱再生、化學(xué)藥劑再生、生物再生、電化學(xué)再生、超聲波再生、催化濕式氧化再生和超臨界流體再生等方法；介紹了活性炭再生的多種新技術(shù)，認為一種活性炭再生的新方法—超聲波+電化學(xué)再生法有可能在未來挑戰(zhàn)傳統(tǒng)技術(shù)。

活性炭再生;水處理;電化學(xué);超聲波

活性炭再生是將吸附飽和的活性炭通過各種方法恢復(fù)其吸附性能，達到重復(fù)使用的目的。再生方法主要取決于活性炭的類型和活性炭吸附物質(zhì)的性質(zhì)。目前國內(nèi)外較為成熟的再生方法有三種，即熱再生法、化學(xué)再生法和生物再生法。但這些方法均存在一定的缺點和局限性：活性炭在再生過程中損失較大，再生后的活性炭存在吸附能力明顯下降、機械強度下降、再生過程中的尾氣會造成空氣污染等問題。所以人們一直試圖探索新的更為經(jīng)濟有效的活性炭再生技術(shù)，如電化學(xué)再生法、超聲波再生法、催化濕式氧化再生法及超臨界流體再生等。

1 傳統(tǒng)活性炭再生技術(shù)

1.1 熱再生法

熱再生法是目前發(fā)展歷史最長、應(yīng)用最多、工業(yè)上最成熟的活性炭再生方法[1-2]?；钚蕴繜嵩偕ㄊ加?0世紀初，當時是采用回轉(zhuǎn)爐對骨炭進行再生；30年代開始引用多層爐；40～50年代再生爐技術(shù)已基本成熟；70年代活性炭開始大量應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。

熱再生法的原理是在加熱條件下，使被吸附的有機物以解析、炭化、氧化的形式從活性炭基質(zhì)上消除[3]?；钚蕴繜嵩偕话阈枰鄠€步驟：

（1）脫水，即通過機械物理作用將活性炭表面的水分除掉。

（2）干燥，干燥溫度一般低于100℃，主要是蒸發(fā)孔隙水，少量低沸點的有機物也會被氣化。該過程需要大量的蒸發(fā)潛熱，熱再生過程約有50%的能耗是在干燥過程中消耗的。

（3）在約350℃時加熱活性炭，使其中的低沸點有機物被分離。

（4）高溫炭化，即在約800℃加熱活性炭，使大部分有機物分解、氣化，或以固定碳的形態(tài)殘留下來。

使用鎘標準液GSB G-62040-90按照島津原子分光光度儀設(shè)定程序建立鎘含量與吸光度關(guān)系的標準曲線，結(jié)果見圖1。

（5）活化，即在800℃～1000℃范圍內(nèi)加熱活性炭，使殘留下來的炭，被水蒸氣、二氧化碳或氧氣等分解。熱再生的步驟根據(jù)加熱爐種類的不同也稍有差別，但差別不大。

熱再生法的優(yōu)點：再生率較高，可達70%～80%；再生時間短；與化學(xué)藥品再生法相比，具有很強的通用性；不產(chǎn)生再生廢液。缺點：再生后的活性炭損失率較高，一般為5%～10%；炭表面化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，比表面積減小；高溫再生對再生爐材料要求高，再生爐設(shè)備投資高；再生能耗成本較高；活性炭反復(fù)再生會喪失吸附性能。

1.2 化學(xué)藥劑再生法

高濃度、低沸點的有機物吸附，宜采用化學(xué)藥劑再生。化學(xué)藥劑再生主要分為無機藥劑再生和有機藥劑再生。無機藥劑再生一般采用無機酸（硫酸、鹽酸）或堿（氫氧化鈉）等藥劑使吸附質(zhì)脫除。例如吸附高濃度酚的活性炭，可用氫氧化鈉溶液再生，酚以酚鈉鹽的形式被回收；吸附重金屬的活性炭，可以用鹽酸溶液再生。有機溶劑再生常用的溶劑有苯、丙酮和甲醇等，適用于可逆吸附，例如吸附高濃度酚的活性炭；處理焦化廠煤氣廢水的活性炭，都可用有機溶劑再生。

化學(xué)藥劑再生法的優(yōu)點：針對性強，設(shè)備簡單，具有經(jīng)濟優(yōu)勢；可從再生液中回收有用物質(zhì)；操作過程在吸附塔內(nèi)進行，活性炭損失小。缺點：一般只能針對單一物質(zhì)再生，通用性較差；再生率低，微孔容易堵塞，多次使用后再生率明顯降低；存在再生液二次污染的問題。

1.3 生物再生法

生物再生法與生物活性炭技術(shù)相似，活性炭吸附有機物，同時微生物對有機物進行降解，從而使活性炭得到再生。由于活性炭能夠?qū)⒂袡C物長時間吸附在其表面，所以微生物能夠?qū)⒁恍┎灰捉到獾挠袡C物進行降解，使活性炭再生。但對于不能被微生物降解的有機物，生物再生法的使用會受到限制。

生物再生法的優(yōu)點是工藝簡單，投資和運行費用都很低，對活性炭無危害作用。缺點是再生時間長，吸附率恢復(fù)緩慢，對于難生物降解的有機物不適用。

2 活性炭再生新技術(shù)

2.1 電化學(xué)再生法

電化學(xué)再生法是一項新型的活性炭再生技術(shù)[4-6]，基本沒有二次污染，再生效率較高，目前尚處于研究階段。該技術(shù)是將活性炭填充在兩個電極之間，填充電解液（通常為氯化鈉、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉等），通入直流電流，活性炭在電場作用下發(fā)生極化，形成微電解單元。再生過程一方面依靠電泳力使炭表面有機物脫附，另一方面依靠電解產(chǎn)物包括氯氣、次氯酸、新生態(tài)氧等氧化分解吸附物或與之生成絮狀物。以NaCl為電解質(zhì)的主要化學(xué)反應(yīng)如下[7]：

電化學(xué)再生活性炭的效果主要取決于活性炭在電極中所處的位置、采用輔助電解質(zhì)的種類、電解質(zhì)的濃度、電流大小、再生時間和pH值等。大多數(shù)研究表明，活性炭在陰極上的再生效率明顯高于陽極（約高出20%）。最常用的電解質(zhì)為氯化鈉，活性炭的再生效率一般隨電解質(zhì)濃度的增加而增加，但當電解質(zhì)濃度高于一定值時，再生效率下降。再生效率隨電流的增加而提高，隨再生時間的增加而提高，但達到一定時間后（通常為5h），不再有變化。

電化學(xué)再生法的優(yōu)點是：再生效率高，可達80%～95%，且多次再生后再生效率降幅不大[8]。缺點是再生能耗較高。

2.2 超聲波再生法

超聲波再生僅對物理吸附有效。該技術(shù)對活性炭的吸附表面施加能量，通過“空化泡”爆裂的沖擊使被吸附物質(zhì)得到足以脫離吸附表面重新回到溶液中去的能量，即達到活性炭再生的目的。超聲波再生的最大特點是只在局部施加能量，再生排出液的溫度僅提高2℃～3℃。有研究表明，超聲波再生能耗僅為0.1kW·h/kg活性炭，但再生率不到50%[9]。

超聲波再生的優(yōu)點是能耗小、工藝及設(shè)備簡單、活性炭損失小、可回收有用物質(zhì)。但最大的不足是再生效率較低。

2.3 催化濕式氧化再生法

催化濕式氧化再生是指在高溫、高壓下，用氧氣或空氣作氧化劑, 將處于液相狀態(tài)下的活性炭吸附質(zhì)（有機物）氧化分解的一種處理方法。再生條件一般為200℃～250℃，操作壓力3～ 7MPa，再生時間不大于60min[10]。

催化濕式氧化再生的優(yōu)點是：再生效率穩(wěn)定，處理對象廣泛，活性炭損失小（≤3%），反應(yīng)時間短。缺點是再生效率不高（約為50%），再生設(shè)備需耐腐蝕、耐高壓，產(chǎn)生廢氣要進一步處理。該技術(shù)目前尚處于探索階段。

2.4 超臨界流體再生法

超臨界流體再生主要是利用超臨界流體（SCF）超高的有機物溶解度，對飽和活性炭上的有機物進行萃取，使活性炭再生。超臨界流體再生的研究目前僅限于二氧化碳，因為二氧化碳的臨界溫度近于常溫（31℃），臨界壓力相對不高（7.2MPa），且無毒，不可燃，不污染環(huán)境[11]。萃取后通過改變超臨界流體的溫度和壓力，使超臨界流體的有機物溶解度發(fā)生數(shù)量級變化，從而實現(xiàn)與有機物的分離。

超臨界流體再生的優(yōu)點是：操作溫度低（31℃），不改變吸附質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和活性炭原有結(jié)構(gòu)，活性炭無損耗，操作周期短，可以收集吸附質(zhì)，設(shè)備占地面積小，能耗不高。缺點是：活性炭吸附的物質(zhì)必須是在超臨界流體中可溶，設(shè)備需要耐高壓。該技術(shù)目前僅限于實驗研究。

2.5 新型熱再生法

傳統(tǒng)的熱再生法采用的能源主要是煤、天然氣、燃油等，近年來又發(fā)展出了一些采用新熱源的熱再生技術(shù)，其中包括：微波加熱、遠紅外線加熱、直接通電加熱等。

（1）微波加熱采用的再生設(shè)備為微波諧振膛，用于干燥或加熱的微波頻率有970MHz及2450MHz兩種。微波加熱的優(yōu)點是通過微波使炭自身發(fā)熱，升溫速度快，可迅速達到再生要求的高溫，設(shè)備體積小。缺點是爐膛內(nèi)加熱不均勻，主要是微波能量吸收不均勻所致，有時產(chǎn)生炭燒結(jié)現(xiàn)象。當微波漏能功率大于0.01W/cm2、接觸時間達6min以上時，對人體有傷害。在微波產(chǎn)生、輸送過程中，磁控管本身會消耗30%～40%的功率。

（2）遠紅外線加熱一般用于干燥活性炭，也可用于再生，主要取決于被加熱物體對特定波長的紅外線的吸收能力。

（3）直接通電加熱是利用活性炭自身具有的電阻和炭粒間具有的接觸電阻，使炭產(chǎn)生焦耳熱，逐漸達到再生溫度，再通入水蒸氣進行活化。

以上三種新型活性炭熱再生法的能耗相差不大，約為1.50kW·h/kg活性炭[12]。

3 活性炭再生技術(shù)展望

目前活性炭利用已經(jīng)涉及水處理的各個領(lǐng)域，應(yīng)用范圍廣、用量大。因此對活性炭再生技術(shù)的研究已成為十分重要的領(lǐng)域。雖然傳統(tǒng)再生技術(shù)成熟，但經(jīng)濟性、通用性和有效性都存在明顯缺陷，因此新活性炭再生技術(shù)替代傳統(tǒng)再生技術(shù)具有重大工程意義，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景及明顯的經(jīng)濟效益。

本文針對活性炭再生技術(shù)的研究進展，提出一種新的活性炭再生技術(shù)—超聲波+電化學(xué)再生法。超聲波再生和電化學(xué)再生相結(jié)合具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)點。超聲波再生的優(yōu)點是能耗低，不足之處為再生效率低；電化學(xué)再生的優(yōu)點是再生效率高，通用性強，多次再生后仍具有很高的吸附效率，不足之處是能耗較高，如果將這兩種再生方法相結(jié)合，將兩種技術(shù)優(yōu)勢互補，就能解決其它再生技術(shù)難以克服的問題。因此，作者認為超聲波+電化學(xué)活性炭再生法很有可能成為一種未來可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)活性炭再生法的新技術(shù)，成為未來的一個研究熱點。

[1]劉守新，王巖，鄭文超.活性炭再生技術(shù)研究進展[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，29（3）：61-63.

[2]藍淑澄. 活性炭水處理技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

[3]高尚愚，陳維譯. 活性炭基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國林業(yè)出版社，1984：56-58.

[4]張會平，葉李藝，傅志鴻，等.活性炭的電化學(xué)再生技術(shù)研究[J].化工進展，2001，20（10）：17-20.

[5]BAN A. Fundamentals of electrosorption on activated carbon for waste water treatment of industrial effluents [J]. J App Electrochem, 1998,28：227-236.

[6]Narbaitz R M. Electrochemical regeneration of granular activated carbon [J].Water Research, 1994,28（8）：1771-1778.

[7]李增朝，馬慶，郭萬寶，等.電化學(xué)法再生活性炭試驗研究[J].供水技術(shù)，2009，3（4）： 18-21.

[8]唐玉霖，王三反，洪雷.電化學(xué)法再生顆?；钚蕴康难芯縖J].凈水技術(shù)，2007，26（2）：50-53.

[9]曾志江，鐘漢強.活性炭再生技術(shù)探討[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，21（4）：8-9.

[10]陳岳松.濕式氧化再生活性炭研究[D].上海： 同濟大學(xué)碩士研究生論文.1999.

[11]陳皓，向陽，趙建夫.超臨界二氧化碳萃取再生活性炭技術(shù)研究進展[J].上海環(huán)境科學(xué)，1997，16（12）：26-28.

[12]翁元聲. 活性炭再生及新技術(shù)研究[J].給水排水，2004，30（1）：86-91.

Progress and Development Trend on Regeneration Technologies of Activated Carbon

WU Qi, SONG Qian-wu, ZENG Yan-yan, DAI Jin-guo, LI Zhi
(Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

This paper briefly summarizes the progress of regeneration technologies of activated carbon for water treatment, and then systematically analyzes the advantages and disadvantages of these technologies. These technologies include thermal regeneration, chemical regeneration, bio-regeneration, electrochemical regeneration, ultrasonic regeneration, catalytic wet process of oxidation regeneration, supercritical fluid regeneration and so on. Finally, the paper predicts the future development trends on regeneration technologies of activated carbon, and proposes a new technology of activated carbon regeneration——Ultrasonic + Electrochemical regeneration.

activated carbon regeneration; water treatment; electrochemical regeneration; ultrasonic regeneration

X703

A

1006-5377（2011）10-0014-04