微波再生泥質(zhì)活性炭的研究

林怡汝，阮超，周文婷，陳力，邵駿，楊?yuàn)檴?/p>

微波再生泥質(zhì)活性炭的研究

林怡汝，阮超，周文婷，陳力，邵駿，楊?yuàn)檴?/p>

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048）

研究了微波再生泥質(zhì)活性炭的最佳條件及各影響因素對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭再生性能的影響。以城市污水處理廠污泥為原料制備泥質(zhì)活性炭，以亞甲基藍(lán)為模擬污染物污染泥質(zhì)活性炭，探索了輔助溶液濃度、微波功率、輻照時(shí)間及泥質(zhì)活性炭質(zhì)量對(duì)再生性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，2 g飽和泥質(zhì)活性炭在堿液濃度為30 g.L-1，微波功率為300 W，輻照時(shí)間為90 s時(shí)，性能恢復(fù)率最高，再生損耗率最小。堿液輔助微波再生泥質(zhì)活性炭是一種可行的泥質(zhì)活性炭再生方法。

微波；泥質(zhì)活性炭；再生性能

目前用于活性炭再生的方法主要有熱再生法［1］、生物再生法［2］、濕式氧化［3］和催化濕式氧化再生法［4］、溶劑再生法［5］、電化學(xué)再生法［6］、超臨界流體再生法［7］等。熱再生法是目前應(yīng)用最多、工業(yè)上最成熟的活性炭再生方法。生物再生法是簡(jiǎn)單易行，投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，但所需時(shí)間較長(zhǎng)，受水質(zhì)和溫度的影響很大，因而限制了生物再生法的工業(yè)化應(yīng)用。濕式氧化再生法處理對(duì)象廣泛，反應(yīng)時(shí)間短，再生效率穩(wěn)定，但這種方法對(duì)設(shè)備要求高，操作不方便，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高。微波再生法［8-15］由于加熱速度快、加熱均勻、無滯后效應(yīng)等特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。

本研究以污水處理廠污泥為原料制備了泥質(zhì)活性炭，以亞甲基藍(lán)為模擬污染物污染泥質(zhì)活性炭，探索了輔助溶液濃度、微波功率、輻照時(shí)間及泥質(zhì)活性炭質(zhì)量對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭再生性能的影響規(guī)律，以期為泥質(zhì)活性炭再生提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試劑：氯化鋅、甲基藍(lán)、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、硫代硫酸鈉、重鉻酸鉀、可溶性淀粉、碘化鉀、碘、鹽酸、無水乙醇、氫氧化鈉等均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

儀器：馬弗爐，NN-GT556W，宜興市華陽窯爐設(shè)備有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，SHB—111S；電熱恒溫振蕩水槽，DHZ-2，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；可見分光光度計(jì)，VU-1800，上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.2 泥質(zhì)活性炭的制備

城市污水處理廠的未消化脫水污泥經(jīng)干燥后的污泥顆粒，經(jīng)4 mol·L-1氯化鋅活化劑按液固比為1∶1浸漬、活化溫度為550℃，活化時(shí)間為30 min，經(jīng)馬弗爐高溫?zé)峤?、鹽酸洗滌及蒸餾水的沖洗，最后烘干、磨碎，備用。

1.3 飽和泥質(zhì)活性炭樣的制備

以亞甲基藍(lán)為模擬污染物污染泥質(zhì)活性炭，稱取8 g泥質(zhì)活性炭，溶于1 L 400 mg·L-1亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液中，攪拌，靜置24 h。濾出泥質(zhì)活性炭，經(jīng)105℃干燥后置于干燥器內(nèi)備用。依照此方法，將所制備的所有最佳條件下的泥質(zhì)活性炭都變成飽和泥質(zhì)活性炭樣。

1.4 微波再生飽和泥質(zhì)活性炭試驗(yàn)

利用輔助溶液（NaOH）加微波輻照的方法，在一定的微波功率和時(shí)間下對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭進(jìn)行再生，通過實(shí)驗(yàn)分別測(cè)出再生前及再生后飽和泥質(zhì)活性炭的碘值，分別按式（1）和式（2）計(jì)算出泥質(zhì)活性炭的性能恢復(fù)率、損耗率等再生性能指標(biāo)，并分析輔助溶液濃度、微波功率、輻照時(shí)間和泥質(zhì)活性炭用量等因素對(duì)泥質(zhì)活性炭再生性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

1.5 泥質(zhì)活性炭再生性能指標(biāo)計(jì)算

泥質(zhì)活性炭性能恢復(fù)率H計(jì)算公式如式（1）：

性能恢復(fù)率H=

2 結(jié)果與討論

2.1 輔助溶液濃度對(duì)再生性能的影響

在微波功率300 W，輻照時(shí)間90 s，泥質(zhì)活性炭質(zhì)量2 g，加入10 mL不同濃度的NaOH溶液，考察輔助溶液（NaOH）濃度對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭性能恢復(fù)率、損耗率等再生性能指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，泥質(zhì)活性炭的性能恢復(fù)率隨著NaOH濃度的增加后而減小，在30 g/L時(shí)性能恢復(fù)率達(dá)到峰值，之后變化平緩。再生損耗率隨著堿液濃度的增加而增大。這是由于隨著NaOH濃度的增加，越來越多的堿基可以使活性炭脫附飽和，從而有效恢復(fù)再生活性炭的吸附能力。隨著堿基增多，再生泥質(zhì)活性炭的吸附能力基本恒定，主要是因?yàn)樵谇捌谀噘|(zhì)活性吸附過程作用后，部分吸附位點(diǎn)活化作用能力下降，不可避免會(huì)導(dǎo)致吸附性能整體水平的下降。故選擇NaOH脫附溶液30 g/L為最佳脫附濃度，此時(shí)性能恢復(fù)率可達(dá)90%以上再生損耗率可控制在20%左右。

圖1 輔助溶液濃度對(duì)再生性能的影響

2.2 微波功率對(duì)再生性能的影響

在輻照時(shí)間90 s，泥質(zhì)活性炭質(zhì)量2 g，加入5 mL 30 g/L的NaOH溶液條件下，考察微波功率對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭性能恢復(fù)率、損耗率等再生性能指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，微波功率越大，泥質(zhì)活性炭的性能恢復(fù)率越大，但功率大于300 W后增長(zhǎng)幅度明顯減弱，而且泥質(zhì)活性炭性能恢復(fù)率達(dá)91%，考慮到能量消耗，功率不宜過大。再生損耗率隨著微波功率增大而增加，當(dāng)微波功率為300 W時(shí)，再生損耗率只有7%，但再增加微波功率，再生損耗率增加。所以實(shí)驗(yàn)選擇300 W作為最佳功率，此時(shí)性能恢復(fù)率可達(dá)90%以上，再生損耗率可控制在20%左右。

圖2 微波功率對(duì)再生性能的影響

2.3 輻照時(shí)間對(duì)再生性能的影響

在微波功率300 W，泥質(zhì)活性炭質(zhì)量2 g，加入3 mL 30 g/L的NaOH溶液條件下，考察微波輻照時(shí)間對(duì)飽和泥質(zhì)活性炭性能恢復(fù)率、再生損耗率等再生性能指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在大于90 s之后，飽和泥質(zhì)活性炭的性能恢復(fù)率變化不大，大于90 s后，再生損耗率增加，所以最佳再生時(shí)間選為90 s。此時(shí)性能恢復(fù)率可達(dá)90%以上，再生損耗率可控制在20%左右。

圖3 輻照時(shí)間對(duì)再生性能的影響

2.4 泥質(zhì)活性炭質(zhì)量對(duì)再生性能的影響

在微波功率為300 W，輻照時(shí)間為90 s，以固定炭堿比加入不同質(zhì)量的飽和炭樣，用氫氧化鈉作為輔助溶劑時(shí)，泥質(zhì)活性炭質(zhì)量對(duì)再生性能的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)泥質(zhì)活性炭質(zhì)量大于3 g時(shí)，性能恢復(fù)率下降，這說明微波能量不足以脫附泥質(zhì)活性炭上的污染物質(zhì)，當(dāng)泥質(zhì)活性炭質(zhì)量大于2 g時(shí)，再生損耗率也上升，所以在微波功率為300 W，輻照時(shí)間為90 s時(shí)，最佳飽和泥質(zhì)活性炭質(zhì)量為2 g。此時(shí)性能恢復(fù)率可達(dá)90%以上，再生損耗率可控制在20%左右。

圖4 泥質(zhì)活性炭用量對(duì)再生性能的影響

3 結(jié)論

輔助溶液（NaOH堿液）濃度、微波功率、輻照時(shí)間、泥質(zhì)活性炭質(zhì)量是影響飽和泥質(zhì)活性炭再生效果的主要因素。2 g飽和泥質(zhì)活性炭在堿液濃度為30 g/L，微波功率為300 W，輻照時(shí)間為90 s時(shí)，性能恢復(fù)率可達(dá)90%以上，再生損耗率可控制在20%左右。堿液輔助微波再生泥質(zhì)活性炭是一種可行的方法。

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Study on microwave regeneration of sludge activated carbon

LIN Yiru,RUAN Chao,ZHOU Wenting,CHEN Li,SHAO Jun,YANG Shanshan
（School of Environmental and Chemical Engineering,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048,China）

In this paper,the optimum conditions of microwave regeneration of sludge activated carbon and the influence of various factors on the regeneration ability of sludge activated carbon are studied.The effect of auxiliary solution concentration,microwave power,exposure time and sludge activated carbon dosage on the regeneration performance was studied by the methylthionine chloride as the Simulated pollutant,in which the sludge activated carbon was prepared from sludge of municipal wastewater treatment plant.The optimum condition was determined as follows: solution concentration is 30g.L-1,microwave power is 300W,exposure time is 90s,dosage of the sludge activated carbon is 2g,under these conditions the performance recovery rate is the highest and regeneration loss rate is minimum. It is a feasible method of activated carbon regeneration by alkali assisted microwave regeneration.

microwave;sludge activated carbon;regeneration ability

X703

A

1674-0912（2015）12-0033-03

2015－11－27）

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2011KTZB03-03-03-04）；西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（BS1202）

林怡汝（1987-），女，山東棲霞人，碩士研究生，主要從事污水與廢水處理技術(shù)研究。