木質柱狀活性炭電化學再生過程微觀結構演變研究

宋 京，秦松巖，趙立新

（天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300384）

活性炭的再生[1]是指通過工藝方法將吸附質從活性炭中解吸出來，使活性炭恢復吸附能力的過程?，F有的活性炭再生技術包括熱再生法[2]、化學再生法[3]和生物再生法[4]等，但上述方法存在再生效率低下等缺點[5]。電化學再生主要通過電極與活性炭表面電解質的氧化還原反應對飽和活性炭進行脫附，實現再生目的。魏代波等[6-7]研究表明活性炭電化學技術再生的可能性。但這些研究主要是對活性炭再生效率進行客觀表征，未對電化學再生機理做詳細探討。

本文選取5種活性炭，研究不同吸附飽和的活性炭的電化學再生效率。同時對再生前后活性炭微觀結構變化進行表征，探索活性炭電化學再生機理。微觀結構表征手段包括孔徑分布測定、FIRT測定等，重點探索再生過程中，活性炭官能團、微觀孔徑等的演變規律。

1 材料與方法

ZHWY200B恒溫振蕩培養器（上海智誠分析儀器公司），GC-2010Plus氣相色譜儀（日本島津公司），ChemStar 型全自動催化劑表征儀，傅立葉紅外光譜儀（日本島津公司）。

2，4-二硝基甲苯（A.R，成都艾科達化學試劑有限公司），鹽酸（A.R，天津市化學試劑五廠），氯化鈉（A.R，天津市化學試劑五廠），木質柱狀炭C-1（河南環宇工業有限公司），木質柱狀炭C-2（河南環盛炭業有限公司），木質柱狀炭C-3（平頂山綠林炭業有限公司），木質柱狀炭C-4（安陽新原化工有限公司），木質柱狀炭C-5（河南康諾炭業有限公司）。

實驗裝置主要由直流電源、500mL燒杯、磁力攪拌器、轉子和兩塊3×4mm石墨電極組成，如圖1所示。

1.1 模擬廢水的選擇

2，4-DNT水溶液作為吸附質進行吸附。

圖1 電化學裝置簡圖

1.2 飽和活性炭制備

采用循環吸附法進行飽和活性炭制備，飽和吸附量可由式（1）計算。

式中：qe為飽和吸附量，mg/g；C0為2，4-DNT溶液初始濃度，mg/L；Ce為吸附飽和時2，4-DNT的濃度，mg/L；V為溶液體積，mL；m為活性炭質量，g。

1.3 再生效率的評價

再生后的活性炭用去離子水沖洗干凈，置于烘箱中于 100 ℃烘干后，重新置于質量濃度為 100mg/L 的2，4-DNT 溶液中進行再生后吸附，按式（2）計算活性炭再生率（α，%）。

式中：q0為新鮮活性炭飽和炭吸附量，mg/g；q1為再生活性炭的飽和吸附，mg/g。

1.4 表征方法

根據HJ592-2010[8]標準測定溶液中2，4-DNT。用掃描電鏡測得活性炭SEM圖，用 BET方法求得比表面積；使用傅立葉紅外光譜儀測定表面官能團的變化。

2 結果與討論

2.1 活性炭孔結構分析

根據圖2的分析可知，電化學再生過程對于活性炭的比表面積及孔結構等都具有一定的恢復效果。C-2活性炭比表面積與孔體積恢復效果較好，比表面積可恢復至634m2/g。再生前后孔徑分布可以看出，活性炭孔徑分布主要以微孔為主，再生過后的活性炭微孔數量有所恢復。

圖2 活性炭再生前后比表面積變化

2.2 紅外光譜分析

對各樣品紅外光譜分析可知，吸附飽和的活性炭在3 680、2 240、1 350、887cm-1峰信號較弱，表面官能團數量較少，對2，4-DNT吸附能力降低。對再生后活性炭紅外光譜圖進行分析，在1 500～1 600cm-1有多處吸收峰，其中包含歸屬于芳環中C-H鍵的彎曲振動，C-O鍵的伸縮振動和甲基、亞甲基的剪切振動[9]。這是由于電解過程活性炭表面羰基、羧基等含氧官能團增多造成的。其中，C-2型活性炭電化學再生過后紅外圖譜峰種類較多，表明再生過程中產生豐富的含氧官能團，再生效果較好。

2.3 電化學再生效率

從圖3可知，隨著電解時間的增加，活性炭再生效率呈增加趨勢。其中，C-2活性炭在相同條件下再生效果最好，效率最高可達到92.5%。C-5活性炭再生效率最低，僅為85.2%。這可能是因為不同型號的活性炭比表面積不同，同時還與所含的官能團種類及數量差異有關。

3 結語

1）再生過程中會產生含氧官能團，提高吸附質的解吸能力。同時，比表面積和孔體積也會隨著再生過程慢慢恢復，但無法達到原有的水平。

2）再生效率隨著再生時間增加而增加，達到一定數值后趨于穩定。C-2再生效率較為優越，最高可達92.5%。

圖3 不同類型的活性炭再生效率隨時間的變化