乙醇溶劑萃取法再生活性炭可行性研究

摘 要：焦化廠氨堿法煤氣脫硫液中含有多種物質(zhì)，通常企業(yè)用活性炭對脫硫液進行脫色處理，處理完成后產(chǎn)生的廢活性炭為危險廢物，對活性炭進行再生不僅可以帶來經(jīng)濟效益，而且可以對環(huán)境帶來好處。本文嘗試了溶劑萃取法再生活性炭，以乙醇作為萃取溶劑，再生后用活性炭對脫硫液的吸附容量進行評價。用脫硫液評價新活性炭的吸附容量約為540mg/g，再生后約為200mg/g，再生率為37.0%，乙醇萃取再生活性炭的方法初步可行。

關(guān)鍵詞：活性炭;再生;吸附容量;乙醇;脫硫液

0 引言

焦化工藝中氨堿法脫硫廢液含有一定的可回收成分，將這些成分加以回收利用，具有一定經(jīng)濟效益、環(huán)境效益。

某化工廠是從事氨堿法脫硫廢液回收化工產(chǎn)品的企業(yè)，其主要工藝過程為：將焦化企業(yè)的脫硫廢液收集回收入廠，用活性炭吸附脫色。上述過程完成后產(chǎn)生廢活性炭，屬于危險廢物。目前常用的處理方法是將使用過的廢活性炭運往有資質(zhì)的廢物處置機構(gòu)進行處理，處理過程需要較高的費用且由企業(yè)支付，造成浪費。研究廢活性炭的再生可行性能為該企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益，因為活性炭吸附處理的運營費用較高，同時活性炭的再生比較困難，尋找一項成本低廉并容易應用于實際的活性炭再生方法成為本次研究的重點。本論文通過實驗的方式測試活性炭再生的方法和再生效率，由于活性炭上吸附了很多有機物，故選擇乙醇萃取法對其進行再生，并對該方法的再生效果進行評價，再生過程中脫附的有機物可嘗試回收利用，用過的乙醇也可以通過蒸餾法回收以循環(huán)利用。

1 綜述

1.1 氨堿法煤氣脫硫液的組成

脫硫液的組成非常復雜，所含的污染物一般可分為有機污染物和無機污染物兩大類。其中有機污染物以酚類化合物為主，占總有機物的80%以上，此外，還包含多環(huán)類化合物、多環(huán)芳烴和脂肪族化合物，酚類化合物主要有苯酚、二甲酚、鄰甲酚以及其同系物;多環(huán)類有機物包含菲、蒽、萘等[1]，雜環(huán)類有機物包括氮雜聯(lián)苯、二氮雜苯等。無機污染物一般以銨鹽形式存在，包括碳酸銨、碳酸氫銨、氰化銨硫、化氫銨等。

1.2 活性炭吸附原理和類型

1.2.1 活性炭吸附原理

根據(jù)活性炭于吸附物作用力的不同，活性炭的吸附通常可以分為物理吸附和化學吸附兩種。其中物理吸附中活性炭和吸附物之間的作用力是范德華力，主要用于活性炭去除氣相及液相中雜質(zhì)的過程?；钚蕴拷Y(jié)構(gòu)多孔，可以提供大量的表面積，從而易于吸附雜質(zhì)?；瘜W吸附的作用力主要來自化學鍵，故也可以把其當成化學反應來看?；钚蕴坎粌H含碳，在其表面含有少量的功能團和化學結(jié)合形式的氫和氧，例如羥基、羧基、內(nèi)脂類、酚類等。這些物質(zhì)可以與被吸附物發(fā)生化學反應，從而被吸附物聚集結(jié)合到活性炭的表面。活性炭吸附是上述兩種吸附原理綜合作用的結(jié)果。

1.2.2 活性炭類型

活性炭的原料來源豐富，基本上所有富含碳的有機材料都可以作為其原料，例如燃煤、果殼、木材等。上述有機原材料在一定的壓力和溫度下通過熱解作用被轉(zhuǎn)換成活性炭?；钚蕴烤哂旋嫶蟮目紫督Y(jié)構(gòu)以及巨大的比表面積、特意的表面官能團，同時還具有穩(wěn)定的物理特性及化學特性，是優(yōu)良的催化劑、吸附劑或催化劑載體。按照活性炭的形狀進行分類，活性炭一般可以分為顆粒狀活性炭、粉狀活性炭、柱狀活性炭和球形活性炭等。

①顆粒活性炭

通常情況下把顆粒粒度大于0.175mm的活性炭稱為顆料活性炭。顆?；钚蕴堪凑丈a(chǎn)原料又分為果殼顆?；钚蕴?、煤質(zhì)顆粒活性炭、椰殼顆?；钚蕴康?，不同類型的活性炭吸收成分各有側(cè)重。

②粉狀活性炭

一般將粒度小于0.175mm或者90%以上通過80目標準篩的活性炭通稱粉狀活性炭或粉狀炭。粉狀炭有吸附能力使用充分和吸附速度較快等優(yōu)點，但是分離較為困難。隨著分離技術(shù)的進步和受某些應用要求所限，粉狀炭的粒度出現(xiàn)越來越細化的傾向，有的使用場合已達到微米甚至納米級。

③柱狀活性炭

通常是由粉狀原料和粘結(jié)劑先經(jīng)過混捏和擠壓成型，再經(jīng)過炭化、活化等后續(xù)工序制作而成。也可以用粉狀活性炭加粘結(jié)劑擠壓成型。柱狀活性炭又有中空和實心之分，其中中空柱狀炭是柱狀活性炭內(nèi)有人造的一個或多個有規(guī)則的小孔。

④球狀活性炭

球狀活性炭和柱狀活性炭制作過程和原理類似，最后制成球狀?；蛘哂梢簯B(tài)的含碳原料經(jīng)過噴霧造粒、氧化、炭化及活化等工序制作而成，或者用粉狀活性炭加粘結(jié)劑成球加工而成。與柱狀活性炭類似，球狀活性炭也有空心和實心之分。

本次實驗所采用的活性炭是該化工廠家使用并提供的粉狀活性炭。

1.3 常用的活性炭再生方法

活性炭再生是將已經(jīng)飽和吸附有污染物或者雜質(zhì)的活性炭進行脫附的過程，從而達到活性炭的循環(huán)使用。通常情況下活性炭并不能實現(xiàn)100%再生，同時會伴有部分損耗，但因活性炭成本較高，對其進行再生有一定的現(xiàn)實意義，可以降低企業(yè)使用費用。

吸附飽和的廢活性炭有多種再生方法，目前常用的再生方法主要有加熱再生法、生物再生法、溶劑再生法和濕式氧化再生法等。以上幾種再生方法中加熱再生法應用最廣并且應用時間最長[2]，并且再生率很高，是目前最主要的再生方法;生物再生法的特點是成本低、易于操作運行，并且吸附物被氧化成水和二氧化碳從而實現(xiàn)無害化，但也存在再生時間較長、受溫度、水質(zhì)影響大的缺點;溶劑再生法一般適合再生吸附有機污染物的活性炭;濕式氧化再生法控制好再生所需溫度和壓力可取得較好的效果，同濟大學的李光明等人采用催化濕式氧化法通過實驗得到47.0%的再生效率[3]。除以上傳統(tǒng)再生方法外，隨著科技的進步，近幾年興起的再生方法還有超聲波再生法、光催化再生法、微波輻射再生法、電化學再生法和超臨界流體再生法等，都很有發(fā)展前景。本文因廢活性炭中吸附有較多有機物，故采用溶劑再生法，選用乙醇作萃取溶劑，下面對該方法進行詳細介紹。

①溶劑再生法原理

溶劑再生法一般是利用活性炭、吸附溶劑和吸附物之間的相平衡關(guān)系，在一定的溫度和PH之下改變這種平衡關(guān)系從而使吸附物脫附的一種方法。通常情況下使用有機溶劑對吸附有有機吸附物的廢活性炭進行萃取，從而實現(xiàn)活性炭的再生。通過查詢資料發(fā)現(xiàn)，溶劑再生法中，脂肪族化合物的再生率一般較高，芳香族化合物的再生率受置換基的影響比較大。像苯甲醛、苯甲酸、硝基苯和苯甲酰胺之類具有吸電子基（-CHO，-COOH，-NO2，-CONH2 ）的芳香族化合物，用乙醇萃取法再生率高;帶有供給電子置換基（-OCH3，-NH2，-OH）的芳香族化合物，用乙醇對其再生率較低[4]。

②溶劑萃取再生法的優(yōu)缺點

優(yōu)點：溶劑再生法可在高溫加熱下進行，也可在低溫下進行在線操作，不需要另設再生裝置，投資較少。再生中活性炭的損失極少，同時還可回收有利用價值的吸附質(zhì)，所用溶劑可以經(jīng)蒸餾回收后可反復使用。

缺點：再生效率不高，活性炭孔隙容易被堵塞，從而使吸附性能的恢復受到影響，并且多次再生后，活性炭吸附性能有一定下降。同時，溶劑萃取再生針對性較強，往往一種溶劑只能脫附某些污染物。但往往水處理過程中活性炭吸附的污染物種類較多，成分復雜，因此，一種特定溶劑的應用范圍較窄。溶劑萃取再生法通常只用于物理吸附起主要作用并具有較高回收價值的吸附物。

1.4 活性炭再生效果評價方法

1.4.1 COD值評價法

用不同質(zhì)量梯度的再生前后烘干的活性炭吸附廢水，當吸附后的廢水濾出液的COD不再隨著活性炭的增加而增加時，則可認為活性炭完成對廢水的吸附，以活性炭質(zhì)量和吸附后濾液的COD值為坐標作圖，求得各自的吸附容量，兩值相比求得再生率。

1.4.2 分光光度法

用不同質(zhì)量梯度的再生前后烘干的活性炭吸附含酚廢液，用4-氨基安替比林分光光度法對比吸附前后吸光度變化，當吸光度不再隨著活性炭的增加而增加時，則可認為活性炭完成對廢液的吸附，以活性炭質(zhì)量和吸附后濾液的吸光度為坐標作圖，求得各自的吸附容量，兩值相比求得再生率。

1.4.3 質(zhì)量差法

用一定量的再生前后烘干的活性炭吸附過量的脫硫廢液，吸附后烘干稱量，通過對比吸附前后的質(zhì)量差來求得各自的吸附容量，兩值相比求得再生率。

2 實驗部分

2.1 實驗目的

研究活性炭再生是否可行，并對再生效果進行評價。

2.2 實驗方案

2.2.1 活性炭再生方案

本實驗主要研究溶劑萃取再生法，實驗中選擇的溶劑為乙醇。

2.2.2 再生效果評價

采用質(zhì)量差法，對比新活性炭和再生后活性炭對脫硫液中組分的吸附容量，得出再生效率，分析再生是否可行。

2.3 實驗步驟

2.3.1 活性炭再生

①折疊濾紙筒

取一張長和寬大約分別為30cm和15cm的濾紙，以寬邊為軸卷成筒狀，然后將濾紙筒的一端折疊封死。

②稱取廢活性炭

將廢活性炭于105℃下在烘箱內(nèi)烘干2小時，稱取30.00g裝入折疊好的濾紙筒中，放入索氏抽提器的提取管中。

③組裝儀器

將索氏抽提器的提取瓶、提取管、冷凝器按順序組裝起來，并將冷凝器與自來水管相連接。將提取瓶放在墊有石棉網(wǎng)的電爐上。

④進行實驗

用量筒量取300mL無水乙醇從索氏抽提器的冷凝器開口間緩緩加入，至加完為止，然后打開自來水，同時打開電爐進行加熱，待提取瓶中的液體沸騰開始計時加熱六小時，控制電爐溫度使乙醇和水每6～8min虹吸一次，以實現(xiàn)活性炭的再生，再生后將用無水乙醇再生的活性炭在80℃烘干4小時后備用。將提取瓶中殘余的提取物取出，貯存于燒杯內(nèi)，備用。

2.3.2 活性炭對脫硫液中組分的吸附

①按表1取活性炭和脫硫液做預實驗，找出足夠0.5g活性炭吸附用的脫硫液的量。

表1 ?活性炭對脫硫液中組分的吸附試劑用量預實驗表

[新活性炭質(zhì)量m/g＼&脫硫液體積/mL＼&0.50

0.50＼&10.00

20.00＼&再生活性炭質(zhì)量m/g＼&脫硫液體積/mL＼&0.50

0.50＼&10.00

20.00＼&]

根據(jù)預實驗結(jié)果確定所取脫硫液的量定為15.00mL。

②分別取0.50g新活性炭及再生后的活性炭，量取15.00mL脫硫液于250mL錐形瓶中，加水至50mL，放于振蕩箱中，在溫度為25℃、轉(zhuǎn)速為130r/min的情況下振蕩60min，再移至經(jīng)過105℃的烘箱烘干至恒重的濾紙進行過濾，待所有的活性炭轉(zhuǎn)移到濾紙上后，再于105℃溫度下烘干、稱重，通過稱量結(jié)果計算出吸附前后的活性炭質(zhì)量差，得到活性炭對脫硫液中組分的吸附量，為保證實驗結(jié)果誤差較小，新活性炭及再生后活性炭分別作三組平行實驗。

3 實驗結(jié)果

3.1 預實驗結(jié)果

假設新活性炭的質(zhì)量為m1，濾紙的質(zhì)量為m2，過濾烘干前二者質(zhì)量和為（m1+m2）1，過濾烘干后二者質(zhì)量為（m1+m2）2，前后差值為△m，吸附容量為q，預實驗試劑取用量見表2，以下為預實驗結(jié)果表：

表2 ?活性炭對脫硫液中組分的吸附試劑用量表

[新活性質(zhì)量m1/g＼&濾紙質(zhì)量m2/g＼&（m1+m2）1/g＼&過濾烘干后（m1+m2）2/g＼&差值 ? △m/g＼&吸附容量q/（g/g）＼&0.50

0.50＼&0.93

0.89＼&1.43

1.39＼&1.72

1.66＼&0.29

0.27＼&0.58

0.54＼&]

預實驗結(jié)果表明10.00mL和20.00mL脫硫液對于0.50g新活性炭均已過量，本實驗采用的脫硫液量為15.00mL。

3.2 正式實驗結(jié)果

假設新活性炭質(zhì)量為M1，吸附后活性炭質(zhì)量為M2，吸附前后質(zhì)量差為△M1=M2-M1，吸附容量為Q1=△M1/M1。設再生活性炭質(zhì)量為M3，吸附后質(zhì)量為M4，吸附前后質(zhì)量差為△M2=M4-M3，吸附容量為Q2=△M2/M2。再生率為Q2/Q1。

表3 ?質(zhì)量差法吸附容量表

[新活性炭質(zhì)量

M1/g＼&吸附前后質(zhì)量差△M1/g＼&吸附容量

Q1mg/g＼&平均值/mg＼&0.50

0.50

0.50＼&0.27

0.26

0.28＼&540

520

560＼&540＼&再生活性炭質(zhì)量

M2/g＼&吸附前后質(zhì)量差△M2/g＼&吸附容量

Q2mg/g＼&平均值/mg＼&0.50

0.50

0.50＼&0.11

0.09

0.10＼&220

180

200＼&200＼&]

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本論文主要進行了活性炭再生，然后用新活性炭和再生后活性炭對脫硫液的吸附容量來評價再生效果，說明再生方法是否可行。

通過實驗得到結(jié)論為：

①用脫硫液對再生效果進行評價，新活性炭對脫硫液的吸附容量為540mg/g，再生后的活性炭對脫硫液的吸附容量為200mg/g，再生率為37.0%，說明再生方案初步可行。

②從結(jié)果可以看出，活性炭再生效率偏低，需進行進一步實驗優(yōu)化條件如改變溫度、萃取時間、萃取溶劑以提高再生率。

4.2 討論與建議

4.2.1 脫硫液成分討論

為了探究脫硫液中的成分，在實驗室現(xiàn)有條件下做了脫硫液和非活性炭乙醇萃取液的紫外分析光譜圖，如下。

①通過對脫硫液的紫外分析光譜圖進行分析發(fā)現(xiàn)，圖中有一個較為明顯的波峰處的波長為690nm左右，如圖1所示，通過脫硫液為綠色的顏色特征和查閱資料大致可以確定脫硫液中含有酞菁鈷類煤氣脫硫催化劑，須待進一步實驗予以確認。

②將乙醇萃取液靜置，溫度降至常溫后可見針狀結(jié)晶，說明可能存在酚類物質(zhì)。其顏色在這一過程中的變化為紅色到棕色再到深紅色，瓶壁四周有綠色析出物。通過活性炭乙醇萃取液紫外分析光譜圖和脫硫液的紫外分析光譜圖進行對比發(fā)現(xiàn)，兩圖中光譜走勢除690nm處大致相同，如圖1和2所示，說明乙醇萃取液種成分和脫硫液成分大致相同，乙醇萃取液中690nm處幾乎沒有出現(xiàn)波峰說明酞菁鈷類煤氣脫硫催化劑在乙醇中溶解度較低。

4.2.2 進一步研究的建議

本論文盡管對乙醇萃取再生活性炭的方法進行了一定的研究，為處理脫硫液用的活性炭的再生提供了一定的實驗依據(jù)，但由于實驗設備、資金和時間的限制，本文還存在一定的不足，還需要進一步從以下方面加以完善：

①由焦化工藝可知：脫硫液成分復雜，活性炭對各成分的吸附是否有先后順序尚需進一步的探討和研究。

②甲醇和乙醇都可以提取活性炭吸附的有機物，但甲醇有毒，成本較高，而乙醇廉價易得，對人體和環(huán)境沒有危害，且可重復利用，故實驗采用乙醇進行，而甲醇的萃取效果尚需進一步研究。

③本實驗采用索氏抽提器為再生裝置，若要將此法推廣到實際應用，應考慮到活性炭層的厚度和再生后活性炭的處置與保存及溶劑回收方法等實際問題。

④生物法成本低廉，若可以實際應用于活性炭再生不僅可以解決環(huán)境污染問題，而且可以創(chuàng)造不小的經(jīng)濟效益，但現(xiàn)有實驗條件無法進行與有效嘗試，在實驗環(huán)境條件允許的條件下可對該方法進行嘗試。在實驗時間充足和實驗器材允許的條件下，可以對常用的活性炭再生方法如加熱再生法和酸堿再生法進行實驗，在能找到可行的活性炭與液體分離的方法時，可以嘗試超聲波再生方案。

參考文獻：

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[3]李光明，王華.多相催化濕式氧化法再生活性炭反應條件[J].同濟大學學報，2004，32（5）：636-639.

[4]高尚愚譯.活性炭的應用技術(shù)：其維持管理及存在問題[M].南京：東南大學出版社，2002：115-254

作者簡介：楊俊林，男，1986年2月生，漢族，河北衡水人，現(xiàn)居河北省衡水市冀州市，助理工程師，研究方向：脫硫、除塵、水處理相關(guān)運營及管理。