活性炭再生技術研究

2023-01-01 00:00:00黃小衛郎麗媚祝順波

中國資源綜合利用 2023年5期

摘要：活性炭作為一種有效的吸附劑，具有良好的物理化學性能和低廉的價格，被廣泛應用于環保、食品、醫藥、化工、能源等領域，但也由此產生大量的飽和活性炭。這些廢棄活性炭可能因處理不當而導致二次污染，若填埋或焚燒，則不經濟環保。本文結合活性炭的再生原理，綜述活性炭的傳統再生方法和新型再生方法，最后展望其未來發展趨勢，以選擇合適的活性炭再生技術，最大限度地降低成本和環境影響。

關鍵詞：活性炭；再生；二次污染；環保

中圖分類號：TQ424.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.027

Abstract： As an effective adsorbent， activated carbon has good physical and chemical properties and low price， and is widely used in fields such as environmental protection， food， medicine， chemical industry， energy， etc， however， it also generates a large amount of saturated activated carbon. These waste activated carbons may cause secondary pollution due to improper treatment， and if landfilled or incinerated， it will not be economically and environmentally friendly. Based on the regeneration principle of activated carbon， this paper reviews the traditional and new regeneration methods of activated carbon， and finally looks forward to its future development trends， thus choosing appropriate activated carbon regeneration technology to minimize costs and environmental impact.

Keywords： activated carbon; regeneration; secondary pollution; environment protection

活性炭是一種優良的非極性吸附劑[1-3]，由多種富含碳的物質制成，如木材、煤炭、褐煤、椰子殼和果殼等?；钚蕴烤哂锌紫督Y構良好、比表面積大、性質穩定和吸附容量大等特點[4-7]，被廣泛應用于食品、化工、冶金、制藥等行業的有毒有害氣體、污水的處理[8-12]，被譽為環境污染控制的“青霉素”。但采用活性炭吸附凈化污染物，原材料及飽和后處理成本非常高，使用壽命較短，一旦吸附飽和，就會產生大量的被列為固廢的飽和活性炭，這些廢棄活性炭填埋或焚燒，既不經濟又不環保，其吸附的吸附質還容易造成二次污染[13-16]。隨著人們對生態環境的日益關注和環保標準的更加嚴格，垃圾填埋場處置危險廢物的做法越來越不可接受。因此，從環保及經濟效益考慮，選擇合適的活性炭再生方法都是十分必要的。

1 活性炭的再生原理

活性炭的再生原理主要有兩種，即吸附質的脫除和吸附質的分解[17-20]，前者屬于傳統再生方法，后者屬于新型再生方法。

2 傳統再生方法

2.1 熱再生法

熱再生法利用加熱使活性炭吸附的有機物分解脫除，一般分為干燥、高溫炭化和水蒸氣活化三個階段。干燥階段通常在100 ℃溫度下進行，活性炭孔中的水蒸發，部分低沸點有機物脫附。當加熱到350 ℃時，活性炭中的低沸點有機物脫附，超過350 ℃時，高沸點有機物會被熱分解。當進一步加熱到800 ℃時，活性炭吸附的高沸點有機物全面分解，通入活化氣體后殘留在微孔中的碳化物分解為CO、CO2和H2等，活性炭恢復原有結構和吸附性能。但高溫再生一般不能原位處理，要將飽和的活性炭送到特殊的再生裝置，如回轉窯，而且活性炭吸附的有機物加熱分解會造成廢氣排放，同時能耗高。微波加熱被認為是飽和活性炭再生的潛在可行方法，其加熱能力良好，加熱速率高，熱反應均勻。Foo等[1]研究表明，活性炭進行2～3 min的微波加熱，足以再生。與傳統加熱技術相比，微波加熱可選擇加熱區域，精確控制溫度，要求空間較小，節能高效，再生活性炭吸附容量大且吸附速率高。

2.2 化學藥劑再生法

一是無機溶劑再生法。用無機酸（H2S04，HCl等）或堿（NaOH）作為萃取溶劑，增大吸附質溶解度或者促進吸附質發生化學反應溶于水，從而使活性炭再生。二是有機溶劑再生法。采用苯、丙酮和甲醇等有機溶劑，提取吸附質。該方法可原位處理，能減少吸附劑的停留時間，減少活性炭的卸載、運輸和包裝等，活性炭損失小，但是活性炭中的氣孔容易含有空氣，再生不完全，影響回收率。

2.3 生物再生法

生物再生法以有機底物作為微生物的能量來源，分解活性炭上的有機物，最終生成CO2、H20、甲烷等。最佳的微生物條件取決于溫度、氮和磷總量、水中溶解氧水平、微生物的化學計量比以及活性炭在反應器內的停留時間。微生物利用外酶反應，對吸附在活性炭上的污染物進行降解。

2.4 電化學再生法

電化學再生法是指將活性炭放置在直流電場的電解質溶液中進行分解和脫附再生。活性炭與陽極直接接觸，使其成為陽極的一部分，從而增加陽極面積，絕緣板使活性炭與陰極分離，在直流電壓作用下，陰極和陽極分別發生氧化反應，電解生成的強氧化性物質將有機物氧化，吸附質解吸到電解質溶液中，以達到活性炭再生的目的。電化學再生法設備門檻低，易于實現工業化，而且電流易于控制，靈活性較好，成本低。

3 新型再生方法

3.1 等離子體再生法

等離子體再生法是通過電子在高能場中加速運動，使水分子和其他分子躍遷到激發態，解吸吸附在飽和活性炭表面的污染物。將活性炭吸附與介質阻擋放電（DBD）結合起來，去除水中難以降解的有機物，完成活性炭再生。等離子體再生法可有效避免活性炭損耗，再生效率高，無二次污染，再生周期短，活性炭損失小，適用性強，但能耗高。

3.2 光催化再生法

光催化再生法將光催化劑與吸附材料相結合，形成光催化復合材料，實現活性炭的原位再生。陳宗華等[2]以吸附甲苯的飽和活性炭為試驗對象，研究氣提-光催化聯合工藝的最佳條件，飽和活性炭可以實現重復再生。光催化再生法工藝簡單，生產規模不受限制，設備易操作，但其處理周期長，再生效果差。

3.3 超臨界流體再生法

超臨界流體是溫度和壓力高于臨界點的流體（常為CO2），其密度大，對有機物的溶解度大；黏度小，傳質速率高，擴散性能好；表面張力小，便于滲透到活性炭體系的孔隙中。超臨界CO2在活性炭表面具有活化作用，可以實現活性炭再生。Costa等[3]利用超臨界流體從樹脂中解吸甘油，樹脂再生時間僅為4.17 min。超臨界流體再生法對技術和設備要求較高，投資成本較大。

3.4 超聲波再生法

超聲波再生法利用超聲波被介質吸收時產生的空化泡，使活性炭表面的吸附質脫落。楊文卿等[4]將微波和超聲波相結合，對飽和活性炭進行再生，發現超聲波再生法適用于物理吸附后的活性炭再生，節能效果好，活性炭損耗小，但其再生效率低。

4 結論

活性炭已廣泛應用于國民經濟的諸多領域，應用范圍廣，用量大。隨著活性炭的推廣應用，飽和活性炭的綜合處理技術將得到進一步的發展。目前，很多活性炭再生方法在實驗室研究中取得良好的再生效果，但仍無法應用于大規模生產，單一方法的活性炭再生效果并不理想，因此可以將多種技術耦合，提高飽和活性炭的活化率，加快脫附，避免高溫導致活性炭燒結成團。未來，多種技術的組合應用很可能成為活性炭再生的研究熱點。

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