工業(yè)吸附用飽和廢棄活性炭再生方法探究★

屈琳琳，楊 博，王樹偉

（河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000）

引言

活性炭是綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)中必不可少的一環(huán)，是應(yīng)用范圍最廣的吸附劑，可以有效地吸附工業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域廢棄物中的重金屬離子和有機(jī)污染物等物質(zhì)[1]。但活性炭在吸附過程中易飽和，達(dá)到飽和狀態(tài)的活性炭工作性能迅速下降，同時(shí)存在現(xiàn)有資源浪費(fèi)以及二次污染的問題[2]，限制了活性炭的產(chǎn)業(yè)化推廣。目前，我國對吸附飽和的活性炭通常采取的再生法的工作原理是打破原有的吸附平衡，在不改變活性炭孔隙結(jié)構(gòu)等理化方面性能的前提下同時(shí)恢復(fù)其吸附能力。通過再生，可實(shí)現(xiàn)固廢資源二次利用，并避免了直接焚燒廢活性炭帶來的環(huán)境污染問題。本文主要梳理了飽和活性炭各類再生方法的原理及適用條件，同時(shí)對新興活性炭再生技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，最后對活性炭再生應(yīng)用工業(yè)產(chǎn)業(yè)化前景提出展望。

1 物理再生

1.1 熱再生法

目前工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的活性炭再生方法是熱再生法，其工作原理是通過加熱破壞飽和活性炭的吸附平衡，從而使吸附在活性炭表面的有機(jī)物炭化分解達(dá)到去除殘留吸附物的目的。在一定溫度區(qū)間范圍內(nèi)（通常為200 ℃～800 ℃），活性炭上吸附的有機(jī)物質(zhì)會以揮發(fā)、分解、炭化的形式從吸附劑表面上消解[3-4]，因此可通過高溫加熱消解的方式對飽和活性炭進(jìn)行再生利用。應(yīng)用熱解法過程中會產(chǎn)生一定量有害氣體，且每再生一次，活性炭損失較大且能耗較高，存在著高耗能、炭流失和再生設(shè)備要求高等不足之處。

1.2 超聲波再生法

飽和活性炭超聲波再生法的工作機(jī)理是在溶液中通過超聲波的空化作用產(chǎn)生具有較高能量的空化氣泡，通過氣泡爆裂產(chǎn)生的高壓沖擊能量，使附著在活性炭表面的有機(jī)物經(jīng)過熱解和氧化作用產(chǎn)生有效分離。連子如[5]在進(jìn)行焦化廢水飽和活性炭的超聲波再生法研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲頻率在33 kHz 以下、超聲時(shí)間維持10 min 后，活性炭可達(dá)到脫附再生，但脫附率較低；在使用自來水進(jìn)行焦化廢水生化出水稀釋處理時(shí)，當(dāng)生化出水與自來水的體積配比為一定值時(shí)，附著在活性炭表面的有機(jī)物脫附率有較大幅度上升。

1.3 微波再生法

微波再生法與熱再生法的工作機(jī)制類似，都是通過加熱的方式破壞飽和活性炭的吸附平衡，從而使活性炭表面的吸附物質(zhì)炭化分解達(dá)到去除殘留吸附物的目的，從而實(shí)現(xiàn)活性炭的再生[6]。相比于熱再生，微波再生與之最大的區(qū)別在于微波與介電材料之間的升溫方式，同時(shí)經(jīng)過微波再生法處理的廢活性炭，其活性恢復(fù)情況良好，活化后的吸附性能較新炭相比差異較小[7]。微波再生法的特點(diǎn)在于加熱速率快且均衡，同時(shí)節(jié)能效率高。此外，微波與其他再生技術(shù)耦合聯(lián)用也呈現(xiàn)出較好的協(xié)同效果，如電凝—活性炭吸附—微波再生處理工藝、紫外線-微波再生工藝等。

1.4 生物再生法

生物再生法是一種利用微生物菌種來消解吸附在活性炭表面上的有機(jī)物同時(shí)使活性炭恢復(fù)吸附性能的再生方法。尤濤[8]認(rèn)為在應(yīng)用生物再生法進(jìn)行飽和活性炭處理時(shí)，吸附質(zhì)特征、吸附條件以及微生物特性均會影響到飽和活性炭的再生效率，綜合分析多因素之間的相互作用關(guān)系對于活性炭再生效果的影響，應(yīng)成為生物再生法探究的重點(diǎn)。

生物再生法適用范圍具有一定的局限性，由于微生物菌種對于吸附質(zhì)的處理具有較強(qiáng)的針對性，需要將菌種進(jìn)行專門的馴化，因此在應(yīng)用生物再生法處理一些難以被微生物降解的有機(jī)吸附質(zhì)時(shí)會存在一定限制。

2 化學(xué)再生

2.1 溶劑再生法

溶劑再生法的工作機(jī)制是通過一定的控制條件（例如溶劑的pH 值、溫度等）將原有的吸附平衡破壞，使吸附的有機(jī)物從活性炭孔隙中解吸出來。針對化學(xué)溶劑再生法，溶劑、活性炭和吸附在活性炭上的有機(jī)物三者之間的相平衡作用是影響飽和活性炭再生率的直接因素，因此該方法對化學(xué)吸附為主的吸附劑再生效果有限。

溶劑再生法具有炭耗損較少、操作簡便、高效節(jié)能，經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用范圍較窄，且吸附劑多次再生后吸附性能顯著下降，同時(shí)存在再生溶液處置不當(dāng)易造成二次污染的問題。此外，活性炭表面可能會被某些化學(xué)溶劑腐蝕導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而降低了活性炭的物理性能以及吸附容量。

2.2 電化學(xué)再生法

電化學(xué)再生法是一種簡單、再生效率高、無二次污染的活性炭再生技術(shù)，其工作機(jī)制與電化學(xué)系統(tǒng)中由電場引起的變化關(guān)聯(lián)緊密，應(yīng)用電化學(xué)再生法進(jìn)行再生循環(huán)的主要是顆?；钚蕴?。俞乙平在對含污廢水中的顆?；钚蕴窟M(jìn)行再生機(jī)制研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，電流密度、再生時(shí)間、電解質(zhì)、電解質(zhì)質(zhì)量濃度、酸堿度和再生位置對于再生效率有重要影響。電流密度在一定限值內(nèi)時(shí)，由于電流密度的增加提高了氧化速度進(jìn)而脫附效果加大；再生位置處于活性炭的不同極位其再生效率也不同，陰極一般比陽極高出5%～20%。

2.3 濕式氧化再生法

濕式氧化再生法的工作機(jī)理是在高溫高壓的外部條件下，吸附飽和的活性炭中通入空氣與氧氣，氧化分解同一狀態(tài)下吸附劑里的吸附質(zhì)。在應(yīng)用濕式氧化再生法進(jìn)行活性炭處理時(shí)，一般分為兩階段進(jìn)行，即氧氣傳質(zhì)控制階段以及反應(yīng)動力學(xué)控制階段。為提升濕式氧化再生法的再生效率以及達(dá)到降低能耗的效果，通常采用添加化學(xué)催化劑的方式，即催化濕式氧化再生法。

濕式氧化再生具有再生時(shí)間短、活性炭損耗率低、再生過程中無需另外加熱等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在著設(shè)備要求高、處理廢活性炭產(chǎn)生的廢棄需要進(jìn)行二次處理等缺點(diǎn)。

2.4 臭氧氧化再生法

氧化再生法是利用氧化劑來進(jìn)行氧化分解作用從而消除吸附在活性炭表面的有機(jī)物，臭氧氧化再生法就是以臭氧作為氧化劑來進(jìn)行吸附質(zhì)的處理。臭氧氧化再生活性炭過程中，臭氧含量是影響再生效率的重要參數(shù)指標(biāo)：臭氧不足將影響氧化劑的效用，使被吸附的有機(jī)物難以被充分氧化，而臭氧過量將造成活性炭表面的化學(xué)基團(tuán)被氧化改性。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初期通入臭氧會使活性炭比表面積有一定量的增加，但持續(xù)注入20 h 臭氧后，活性炭表面的微孔結(jié)構(gòu)受損，比表面積開始降低，同時(shí)處理效果也隨之下降。

3 再生新興技術(shù)

3.1 光催化再生

光催化再生法是在吸附劑（活性炭）的生產(chǎn)過程中摻入光催化劑，制成光催化復(fù)合材料，使吸附劑的吸附性能與TiO2的光活性結(jié)合起來，通過二者協(xié)同作用產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，將吸附劑表面的有機(jī)物被氧化分解為二氧化碳、水以及其他無機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)吸附劑的原位再生。

光催化再生法具有很多優(yōu)點(diǎn)，如工藝實(shí)現(xiàn)過程簡單設(shè)備操作方便、在紫外線照射下吸附飽和的光催化復(fù)合活性炭即可實(shí)現(xiàn)原位再生、活性炭的損耗較小等；但也面臨著再生過程耗時(shí)較長的缺陷。

3.2 超臨界流體再生法

超臨界流體具有液體和氣體的雙重特性，具有很強(qiáng)的溶解能力和良好的流動、傳遞性能。超臨界流體再生法就是利用超臨界流體的高溶解度，將其作為萃取劑對吸附劑上的有機(jī)物進(jìn)行萃取進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溶液溶質(zhì)的分離，以達(dá)到活性炭再生效果，二氧化碳是超臨界流體再生法中常用的萃取劑之一。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對再生時(shí)外部溫度條件要求不高，普通溫度下即可達(dá)到比較理想的再生效率，并且多次再生并不影響吸附劑原有的吸附性能。

3.3 多技術(shù)耦合再生方法——臭氧輔助低溫廢炭再生

臭氧輔助的低溫廢炭再生法是一種新興多技術(shù)聯(lián)用再生方法，通過低溫進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)引入臭氧作為氧化催化對飽和廢棄活性炭進(jìn)行再生處理的方法。與傳統(tǒng)熱解法相比，該方法在一定程度上解決了傳統(tǒng)熱解法在加熱時(shí)間長和溫度高引起的高能耗問題，提高廢炭再生效率。將臭氧再生法應(yīng)用于低溫再生處理的廢炭之后，對低溫廢炭再生技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高了臭氧的能量利用率，增強(qiáng)了活性炭上吸附質(zhì)的脫附和降解效果。

4 應(yīng)用展望

由于現(xiàn)有的廢活性炭再生方法均存在不同程度的相關(guān)技術(shù)短板，故飽和活性炭再生并沒有真正得到大范圍推廣應(yīng)用，這是因?yàn)樵陲柡突钚蕴吭偕^程中，損失率、重復(fù)使用情況以及再生效率是飽和廢棄活性炭再生工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)化需要著重考慮的內(nèi)容。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，針對活性炭再生方法的選擇，可以將兩種或多種再生方法進(jìn)行耦合作用，以期達(dá)到更優(yōu)化的再生效率和效果，比如采用電熱再生法、電臭氧再生法等來解決再生技術(shù)中瓶頸問題。同時(shí)需要對活性炭再生成本進(jìn)行核算，影響再生成本的因素主要包括設(shè)備投入、人工費(fèi)用、動力和燃料費(fèi)、分析和檢測費(fèi)用等。隨著相關(guān)的理論和技術(shù)的不斷完善，活性炭再生技術(shù)適用范圍得到進(jìn)一步推廣，在未來逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)化。