活性炭再生技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究

金健 中新蘇伊士環(huán)保技術(shù)（蘇州）有限公司

雖然活性炭再生技術(shù)越來越多，但許多技術(shù)仍在試驗(yàn)中?，F(xiàn)階段還不能應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，考察了活性炭再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，建議采用兩種或多種技術(shù)相結(jié)合的方式，在生法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，將大大提高活性炭的活化率，實(shí)現(xiàn)再生。隨著活性炭再生技術(shù)的深入研究，活性炭再生將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，向環(huán)保方向發(fā)展。

一、活性炭概述

活性炭具有松散和多孔的特殊結(jié)構(gòu)，并且活性炭的吸附能力較強(qiáng)。在環(huán)境中能吸附許多難降解的物質(zhì)，是環(huán)境保護(hù)和深度處理的首選?；钚蕴恐圃爝^程中采用的物理方法傳統(tǒng)，無須大型設(shè)備即可完成?；钚蕴可a(chǎn)要講究順序，主要采用粉碎、篩分、干燥、活化、清洗、干燥等流程。其中，干燥工序是活性炭生產(chǎn)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這一步不能因追求速度而跳過，否則會(huì)影響活性炭的吸附能力?；钚蕴吭谌コs質(zhì)方面有著多種應(yīng)用，對(duì)于活性炭再生技術(shù)旨在可以將飽和活性炭進(jìn)一步還原為不飽和活性炭，使活性炭重新吸收一些雜質(zhì)。其原理是在用活性炭吸附中，當(dāng)活性炭吸附了某些雜質(zhì)物質(zhì)時(shí)，活性炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)因雜質(zhì)而堵塞。為了繼續(xù)儲(chǔ)存和吸附其他雜質(zhì)，需要綜合應(yīng)用幾種方法來去除活性炭雜質(zhì)。雜質(zhì)被去除后，使活性炭吸收污垢的能力得到恢復(fù)。再生法技術(shù)可不斷更換活性炭，活性炭達(dá)到飽和即失去吸附功能。工業(yè)、農(nóng)業(yè)或環(huán)保工作需要大量活性炭，如果活性炭只能使用一次，會(huì)消耗很多，并且與我國倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展嚴(yán)重不符。因此，在環(huán)境保護(hù)中，為了平衡活性炭避免相關(guān)成本的浪費(fèi)，要進(jìn)一步加大對(duì)活性炭再生研究，這在未來具有非常重要的意義?；钚蕴吭偕夹g(shù)在實(shí)際工作中會(huì)遇到很多問題，比如吸附物質(zhì)的多樣性。需要根據(jù)活性炭雜質(zhì)，針對(duì)性地選擇脫附活性炭中雜質(zhì)的技術(shù)。再生技術(shù)尚在發(fā)展中，對(duì)于活性炭中雜質(zhì)的去除有限。為了保證活性炭可以有效的去除雜質(zhì)并取得良好的應(yīng)用效果，需要不斷發(fā)展再生技術(shù)，解決吸附雜質(zhì)的問題。對(duì)于微生物再生和試劑氧化再生是較新的技術(shù)。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在解吸方面效果很好。必須按照工作要求，了解再生技術(shù)，掌握各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需要選擇除雜技術(shù)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)影響。

二、傳統(tǒng)活性炭再生的不足

傳統(tǒng)的活性炭再有熱再生、生物再生和濕式氧化法。對(duì)于這些方法是應(yīng)用最廣泛的再生。特別是經(jīng)過有機(jī)廢水處理后，活性炭是再生中使用最多的。熱再生法具有再生效率高和適用范圍廣的特點(diǎn)，再生過程中須增加熱能，這會(huì)增加再生技術(shù)運(yùn)行成本。生物再生方法的應(yīng)用是利用細(xì)菌減少在活性炭上的有機(jī)物，將其消化成 H2O 和 CO2?；钚蕴靠讖胶苄?，有的孔徑甚至只有幾納米，對(duì)于一些微生物根本無法進(jìn)入。一般認(rèn)為細(xì)胞在再生中發(fā)生自溶，活性炭對(duì)酶有吸附作用，因此在表面形成酶中心，可進(jìn)一步促進(jìn)污染物的分解。因此，對(duì)于生物法簡(jiǎn)單易行，成本低，但需要一定的時(shí)間。污染物的微生物需要對(duì)某些物質(zhì)進(jìn)行馴化。在降解中，有機(jī)物通常不能分解成CO2和H2O。中間體保留并積聚在微孔中，循環(huán)后再生會(huì)下降。因此，生物再生應(yīng)用是有限的。在高溫高壓下，以氧氣或空氣為所使用的氧化劑，將在活性炭上的有機(jī)物分解成小分子，濕式氧化再生法處理多樣，并且再生穩(wěn)定，再生后無須額外加熱，對(duì)難降解的有機(jī)材料，會(huì)產(chǎn)生有毒的中間體。

三、活性炭再生技術(shù)的環(huán)保應(yīng)用

（一）濕式氧化再生法

濕式氧化法主要是將溫度和壓力定在一定范圍內(nèi)，以氧氣為氧化劑，利用催化劑作用加速殘留吸附的有機(jī)物與氧化劑反應(yīng)。濕法氧化活性炭再生技術(shù)改進(jìn)后，當(dāng)溫度和壓力較高時(shí)，這個(gè)過程可以對(duì)硝基苯酚的再生率達(dá)87%。對(duì)于再生時(shí)間、溫度或升溫速率對(duì)濕空氣用活性炭氧化影響的結(jié)果表明，與其他再生氧化技術(shù)相比，濕式催化氧化具有速度快和再生處理中環(huán)境污染少的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且應(yīng)用范圍廣和處理效率高，產(chǎn)生的余熱可進(jìn)行進(jìn)一步的回收。在濕式催化氧化再生法中，催化劑是獨(dú)特的影響因素，包括過渡金屬、貴金屬和催化劑。這些催化劑通常使用價(jià)格較高，因此，在再生技術(shù)的應(yīng)用中需要開發(fā)廉價(jià)穩(wěn)定的催化劑是濕法氧化技術(shù)的關(guān)鍵，并且催化劑的選擇取決于凈化過程中的吸附劑。

（二）超聲波再生法

超聲波再生法技術(shù)應(yīng)用需要依靠聲音的頻率產(chǎn)生含空化氣泡，空化氣泡被分成具有一定能量的小氣泡，產(chǎn)生的沖擊力使碳活化，使表面材料脫落。利用微波和超聲波技術(shù)對(duì)含鉻飽和活性炭進(jìn)行耦合再生。耦合技術(shù)的再生效率明顯高于單獨(dú)超聲。分析影響實(shí)驗(yàn)的因素，如超聲功率、溫度和時(shí)間等，如果超聲功率過大，產(chǎn)生的波會(huì)損壞活性炭，并且會(huì)降低再生效率。

（三）微波輻射再生

微波是介于紅外線和無線電波的電磁波譜?；钚蕴课⒉ㄝ椛湓偕窃诟邷叵聦?duì)有機(jī)物進(jìn)行解吸和活化，然后恢復(fù)其吸附的新興方法。微波加熱不同于傳統(tǒng)的加熱，它具有加熱迅速和均勻的優(yōu)勢(shì)，以及能量就地應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，大大提高加工效率，并且降低了加工能耗。通過活性炭的再生效果與微波照射功率，以及活性炭吸附能力的關(guān)系。比較真空加熱再生、真空微波加熱再生不同工藝下活性炭吸附脫附實(shí)驗(yàn)，以吸附容量和再生速率對(duì)再生方式進(jìn)行分析。得出此過程中活性炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，但真空微波再生后凈吸附能力可以達(dá)到最高，優(yōu)于真空再生和加熱再生后。采用微波輔助溶劑和苯胺吸附劑比較再生活性炭的吸附性能。對(duì)于微波功率和輻照時(shí)間是影響活性炭再生的主要因素。采用主動(dòng)吸附微波再生技術(shù)，進(jìn)行循環(huán)雙金屬降解后的廢水進(jìn)行處理?？梢园l(fā)現(xiàn)TOC清除率得到了明顯的提高，并且此過程最終的清除率高達(dá)80%以上。生物毒性降低，可以滿足安全排放標(biāo)準(zhǔn)。

（四）臭氧氧化再生

臭氧氧化再生技術(shù)的應(yīng)用主要是以臭氧為基礎(chǔ)氧化劑，分解殘留活性炭中的有機(jī)物。并且該技術(shù)可以針對(duì)臭氧氧化的不足，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了耦合，以去除水體中的污染物。結(jié)果表明再生液不僅能有效氧化脫附吸附在的染料，還能有效恢復(fù)多孔通道和吸附能力，同時(shí)可將解吸的污染物完全礦化成CO2和H2O，避免環(huán)境污染。經(jīng)過連續(xù)5 個(gè)吸附和再生周期，PAC 的再生效率仍高達(dá)76%。說明了再生時(shí)間越長，臭氧氧化的再生效果越好。但由于時(shí)間過長，活性炭表面的官能團(tuán)被破壞，吸附性能會(huì)下降。

（五）溶劑再生法

溶劑再生法的再生技術(shù)工作原理是打破活性炭和溶質(zhì)的平衡，這種方法通過溶劑的pH 值、溫度和濕度來平衡，從而使吸附質(zhì)去除。根據(jù)相關(guān)運(yùn)用溶劑的不同，可分為無機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑，通過溶劑吸附物質(zhì)的作用來改變吸附特性的特性。使用溶劑回收也會(huì)產(chǎn)生污染較小的廢液。對(duì)于活性炭再生技術(shù)，采用生物再生法，生物再生法技術(shù)悠久，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。細(xì)菌分解吸附質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，因此活性炭可以重復(fù)使用。活性炭的微孔結(jié)構(gòu)很小，可以說甚至小到幾納米，因此，在再生中，一些特定的細(xì)胞會(huì)發(fā)生融合的狀態(tài)，對(duì)于相關(guān)的微生物的細(xì)胞酶會(huì)形成一個(gè)表面。這使吸附物分解，達(dá)到再生的目的。pH 值不僅會(huì)增加解吸，還會(huì)影響活性炭的吸附能力。大多數(shù)電化學(xué)再生方法依靠局部pH 值的變化來促進(jìn)活性炭對(duì)污染物的吸收。pH 值對(duì)飽和酚粉中活性炭再生的影響，堿性條件下活性炭的再生明顯高于酸性條件下，再生效率最高。另外，電化學(xué)再生pH 值必須考慮二次污染和加入pH 調(diào)節(jié)劑導(dǎo)致資源成本增加的問題[1]。

（六）電化學(xué)法和紫外光法

電化學(xué)再生的方法有攪拌反應(yīng)器和電化學(xué)反應(yīng)器。電化學(xué)在加工中產(chǎn)生電極。在外電場(chǎng)下，活性炭會(huì)發(fā)生一定的極化反應(yīng)，形進(jìn)而成電解槽裝置。吸附的物質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種方法可以很快達(dá)到較高復(fù)用效率。這種方法在選擇電解液時(shí)有一定的要求。對(duì)于電解液的選擇需要根據(jù)酸性或堿性溶液進(jìn)行，對(duì)廢物也需要進(jìn)行丟棄處理。在紫外線再生法中，紫外線照射到有機(jī)物上，將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等物質(zhì)，紫外線照射可以加強(qiáng)熱效應(yīng)，使這種方法應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。

（七）活性炭再生產(chǎn)生的廢氣處理

再生法和微波紫外線再生法產(chǎn)生的氣體是廢氣，熱再生法廢氣的主要成分是被吸附的元素，這些元素會(huì)轉(zhuǎn)化為氮和硫的氧化物和氯化氫等，這些氣體需要經(jīng)過演化處理才能排放，而廢氣的主要成分是酸性氣體，所以廢氣進(jìn)入噴淋凈化塔，通過稀堿溶液循環(huán)噴淋凈化。微波紫外輻射再生氣主要含有未反應(yīng)的吸附劑和完全反應(yīng)的酸性氣體，通過緩沖罐和分離罐從尾氣中吸附分離，而未反應(yīng)的吸附物需要繼續(xù)反應(yīng)。使用一些溶液噴霧凈化，廢氣處理的各個(gè)方面都必須做到嚴(yán)格的檢查，以確保有效的環(huán)境管理[3]。

（八）固廢污染與環(huán)境治理

生物再生法和濕式氧化再生法會(huì)產(chǎn)生固體廢物，對(duì)于其他活性炭再生方法或多或少會(huì)產(chǎn)生一些固體廢物。處理固體廢物污染的方式主要有安全焚燒、填埋、土壤處理和海洋處理。對(duì)陸地和海洋進(jìn)行處理會(huì)浪費(fèi)資源，嚴(yán)重影響環(huán)境。最推薦的固體廢物處理是安全焚燒和填埋。安全焚燒技術(shù)要求高，并且相關(guān)的投入成本較高，目前尚未得到全面的普及。垃圾填埋場(chǎng)雖然成本低，對(duì)于工藝路線簡(jiǎn)單，但是專業(yè)化程度更高。固體廢物輸送機(jī)排放均由控制人員控制。卸料門控制采用手動(dòng)和電子進(jìn)行，也就是說現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。從卸貨區(qū)進(jìn)入倉庫的廢物必須進(jìn)行分析，以驗(yàn)證是否符合填埋場(chǎng)的要求[4]。

（九）超臨界流體再生法

當(dāng)溫度和壓力大于其臨界值時(shí)，該過程也可以稱為超臨界流體。許多特定的物質(zhì)會(huì)在常壓和常溫下對(duì)溶解度非常低，但在亞臨界或超臨界具有非常高的容量。因此，在超臨界狀態(tài)下，對(duì)于相關(guān)壓力的微小變化都會(huì)導(dǎo)致溶解度發(fā)生變化。利用這一性質(zhì)，可以以超臨界液體為萃取劑，調(diào)節(jié)壓力使喚溶質(zhì)分離，即超臨界液體萃取。CO2的臨界溫度為 31°C，接近臨界溫度和壓力（7.2 MPa）。應(yīng)用具有無毒、不易燃和對(duì)環(huán)境無污染等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且具有易獲得超臨界狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，是超臨界流體技術(shù)應(yīng)用的首選。根據(jù)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，在CO2臨界點(diǎn)附近，再生效率變化很大。在活性炭沒有干燥的情況下，需要延長活性炭再生時(shí)間。低壓下隨著溫度的降低再生也會(huì)同時(shí)發(fā)生降低；16.0MPa 下最佳溫度為318K。在實(shí)驗(yàn)流速下，再生會(huì)隨著流速的增加而進(jìn)一步發(fā)生增加[5]。

四、結(jié)束語

綜上所述，在利用活性炭再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)保中，活性炭再生技術(shù)可以通過多種方式進(jìn)行。在活性炭的再利用中，長期以來采用生物技術(shù)方法，采用細(xì)菌培養(yǎng)法分解吸附材料。在這個(gè)過程中，水和二氧化碳分解。也可以用其他方法，但用其他方法處理會(huì)產(chǎn)生一些廢物，對(duì)環(huán)境也有一定的影響。