改性活性炭熱再生效果研究*

馮云曉，臘 明

(平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

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改性活性炭熱再生效果研究*

馮云曉，臘 明

(平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

選用ZnCl2為活化劑，以玉米秸稈為原料，HNO3改性制備活性炭。采用掃描電鏡對(duì)硝酸改性和市售活性炭表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。以吸附亞甲基藍(lán)的飽和活性炭為研究對(duì)象，以熱再生作為活性炭再生方法。通過實(shí)驗(yàn)研究再生溫度、再生時(shí)間、再生升溫速度、再生次數(shù)對(duì)活性炭熱損失率和再生效率的影響。掃描電鏡結(jié)果表明，硝酸改性活性炭表面孔結(jié)構(gòu)豐富。并通過實(shí)驗(yàn)獲得熱再生的最佳工藝條件：再生溫度400 ℃，再生時(shí)間30 min，升溫速度20 ℃/min，可循環(huán)使用次數(shù)為4次。

改性活性炭；亞甲基藍(lán)；熱再生；掃描電鏡

活性炭作為優(yōu)良的污水處理劑之一，在環(huán)境污染治理中，具有見效快，設(shè)備簡(jiǎn)單的有點(diǎn)，是工業(yè)廢水處理的最佳吸附材料之一[1-8]。熱再生法是發(fā)展最早應(yīng)用最廣泛的一種活性炭再生方法。其原理是在高溫條件下，吸附在飽和活性炭中的吸附質(zhì)能夠從活性炭孔隙中解吸，并從飽和活性炭上分離出來，從而使活性炭原來被堵塞的孔隙打開，恢復(fù)活性炭的吸附性能，從而實(shí)現(xiàn)活性炭的熱再生[9-14]。

飽和活性炭不經(jīng)處理即行廢棄，不僅極大地浪費(fèi)資源，而且還將造成嚴(yán)重的二次污染。因此，無論從經(jīng)濟(jì)角度還是環(huán)保角度考慮，活性炭的再生研究十分必要。本文選用吸附亞甲基藍(lán)飽和的活性炭為研究對(duì)象，選用熱再生法對(duì)其進(jìn)行再生，初步探究再生溫度、再生時(shí)間、再生時(shí)升溫速度、再生次數(shù)對(duì)再生效率和損失率的影響，從而探究熱再生最佳的工藝條件，降低活性炭使用成本，提高收益。采用掃描電鏡對(duì)產(chǎn)品表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

鹽酸(AR)，洛陽(yáng)市昊華化學(xué)試劑廠；氯化鋅(AR)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；亞甲基藍(lán)(CP)，天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司；玉米秸稈。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

THZ-D臺(tái)式恒溫震蕩器，太倉(cāng)市華美生化儀器廠；XL-1型箱型高溫爐，鶴壁市民生科技開發(fā)公司；UV-2550紫外分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 活性炭樣品的制備

ZnCl2為活化劑，以玉米秸稈為原料制備活性炭備用。配以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HNO3溶液加入到放有5 g活性炭的燒瓶中，在水浴條件下回流4 h，待樣品冷卻后，用去離子水反復(fù)洗滌至pH穩(wěn)定在6左右。洗滌后，放入120 ℃烘箱中烘干。反復(fù)3次，待冷卻后干燥研磨密封保存保存。

1.3.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

采用掃描電鏡對(duì)活性炭表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

1.3.3 再生溫度的確定

(1) 活性炭在20 ℃下吸附濃度為150 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，每10 mL亞甲基藍(lán)溶液用0.0060 g活性炭吸附12 h，得到吸附飽和的活性炭，將活性炭抽濾，80 ℃下烘干備用。

(2) 準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為0.1000 g的飽和活性炭。分別在不同溫度下(200、300、400、500、600、700 ℃)，進(jìn)行熱再生30 min，取出，冷卻后準(zhǔn)確稱量剩余活性炭質(zhì)量，計(jì)算其損失率。

(3) 稱取上述不同溫度下的再生活性炭和原活性炭各0.018 g，準(zhǔn)確加入30 mL亞甲基藍(lán)溶液(150 mg/L)，置于臺(tái)式恒溫震蕩器中20 ℃下，轉(zhuǎn)速150 rpm，震蕩吸附12 h。吸附飽和后，取上清液，并用紫外分光光度計(jì)測(cè)量亞甲基藍(lán)溶液的殘余濃度，計(jì)算各再生溫度下的吸附量。分析再生損失率和再生效率找出最佳的再生溫度[15-16]。

1.3.4 其它再生條件的確定

參照步驟1.3.3分別考察不同時(shí)間(10、20、30、40、50、60 min)、不同升溫速度(10、13、16、20 ℃/min) 以及再生次數(shù)對(duì)活性炭再生效果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡結(jié)果

圖1 硝酸改性與市售活性炭的掃描電鏡圖

由圖1看出硝酸改性的活性炭(圖1b)表面能夠形成塊狀結(jié)構(gòu)，并且在塊狀結(jié)構(gòu)之間形成了一定量的微孔結(jié)構(gòu)和中孔結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出孔徑基本在幾十個(gè)納米左右，由于大量的納米微孔和中孔的存在，從而使活性炭具有較好的吸附能力。市售活性炭(圖1a)表面比較平整，孔狀結(jié)構(gòu)并不明顯，因此，硝酸改性過與市售活性炭由于表面孔狀結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致兩者的吸附能力出現(xiàn)差異。

2.2 最佳再生條件的確定

2.2.1 最佳再生溫度的確定

損失率=(M0-M)/M0

(1)

q=(C0-C)V/MI

(2)

再生效率=q1-q0

(3)

式中：M0——活性炭原質(zhì)量，g

M——再生后活性炭質(zhì)量，g

q——吸附量，mg/g

C0——亞甲基藍(lán)溶液的初始濃度，150 mg/L

C——吸附飽和后亞甲基藍(lán)溶液的殘余濃度，mg/L

V——亞甲基藍(lán)溶液的體積，30 mL

M1——進(jìn)行吸附活性炭的添加量，g

q1——再生活性炭的吸附量，mg/g

q0——原活性炭的吸附量，mg/g

圖2活性炭的損失率隨著再生溫度升高而增大，低于400 ℃，損失率增幅較小，高于400 ℃后，損失率增大明顯，由14.50%增大到500 ℃時(shí)的47.60%，500 ℃到700 ℃時(shí)，損失率增幅變緩；活性炭的再生效率隨著再生溫度升高而增大，

低于400 ℃再生效率增幅較大，400 ℃后活性炭的再生效率變化不大。400 ℃與500 ℃相比，損失率從14.50%增加到47.60%，增加量為33.10%；而再生效率從99.49%略增到99.90%?？紤]到再生溫度對(duì)再生損失率和再生效率兩方面的影響，再生溫度選擇為400 ℃，此時(shí)再生效率為較高，損失率較低，活性炭具有較好的再生效果。

2.2.2 最佳再生時(shí)間的確定

圖3表明活性炭的損失率隨著再生時(shí)間的增大而增大，30 min 前增幅較緩，30～40 min損失率由9.49%增大到19.32%。40～60 min之間損失率變化幅度不大；活性炭的再生效率隨著再生時(shí)間的增大而增大，30 min前增幅較大，30 min后增加的幅度變小，再生時(shí)間為30 min時(shí)損失率為9.49%，再生效率為98.80%，再生時(shí)間為40 min時(shí)，損失率為19.32%，再生效率為99.12%，40 min與30 min相比，損失率增加了9.83%，而再生效率僅增加了0.32%。綜合考慮損失率和再生效率，再生時(shí)間選擇為30 min。

圖3 再生時(shí)間對(duì)活性炭損失率和再生效率的影響

2.2.3 最佳升溫速度的確定

圖4 升溫速度對(duì)活性炭損失率和再生效率的影響

圖4表明活性炭的損失率隨著升溫速度的增加而減小，升溫速度從10 ℃/min提高到20 ℃/min時(shí)，損失率由18.48%降低到10.89%，說明升溫速度越快損失率越??；活性炭的再生效率隨著升溫速度的增加而增大，升溫速度從10 ℃/min提高到20 ℃/min時(shí)再生效率由98.99%增大到99.46%，說明升溫速度越快再生效率越大。升溫速度快可以減少損失率，同時(shí)增大再生效率，而且還可以縮短生產(chǎn)周期，所以最佳再生升溫速度為20 ℃/min。

2.2.4 可循環(huán)使用次數(shù)的確定

由圖5可知活性炭的損失率隨著再生次數(shù)的增加而增大，1次再生到3次再生損失率由18.70%增加到50.69%,增加了31.99%，3次再生后損失率的增加幅度變緩，由50.69%增加到73.55%，增加了22.86%；活性炭的再生效率隨著再生次數(shù)的增加而降低，4次再生到5次再生，再生效率由73.40%急速降低到21.02%，降低了52.38%，4次再生是再生效率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第4次再生后活性炭再生效率很低基本失活。所以活性炭可循環(huán)使用的次數(shù)為4次。

圖5 再生次數(shù)對(duì)活性炭損失率和再生效率的影響

3 結(jié) 論

硝酸改性活性炭表面具有豐富的孔結(jié)構(gòu)。吸附亞甲基藍(lán)的飽和活性炭熱再生的最佳工藝條件為：再生溫度為400 ℃，最佳再生時(shí)間為30 min，最佳升溫速度為20 ℃/min，在最佳條件下，活性炭的損失率為18.7%，再生效率為99.90%，活性炭得到了較好再生效果，可循環(huán)使用次數(shù)為4次。

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Study on Thermal Regeneration of Activated Carbon*

FENGYun-xiao,LAMing

(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Pingdingshan University, Henan Pingdingshan 467000, China)

The thermal regeneration of activated carbon (AC) saturated with methylene blue was studied.The influences of temperature, regeneration time, calefactive velocity and times of thermal regeneration on the rate of loss and the regenerative efficiency of AC were studied.SEM result showed that activated carbon which activated by HNO3contained a large of holes.The optimal regeneration conditions of AC were listed as follows: temperature was 400 ℃, regeneration time was 20 min, calefactive velocity was 20 ℃/min, and the times of recycling of AC were 4.Consequently, the thermal regeneration can remove methylene blue absorbed by AC obviously.

modified activated carbon; methylene blue; thermal regeneration; SEM

河南省科技廳項(xiàng)目(KJT-142102310462)。

馮云曉(1982-)，女，副教授，主要從事無機(jī)非金屬材料研究。

O69

A

1001-9677(2016)019-0086-04