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如何让废活性炭起死回生?

2021-01-22 10:25:48 admin 3

活性炭的性质与应用

活性主要以林业、煤加工剩余物为生产原料,通过物理、化学等方法加工制造而成,含有大量C以及少量O、H、S等元素。活性炭中含有无定形碳且具有乱层结构,比表面积大、孔隙结构发达,具有极强的吸附能力。活性炭广泛应用于石油化工、食用油、味精、制糖、医药、食品、环境保护、污水处理、放射性物质吸附等行业。但活性炭并没有实现污染物的彻底降解及消除,而是将污染物转移富集。此外,活性炭具有吸附饱和的特性,应用于污染治理一定时间后,失去吸附活性,形成危险废物。据报道,现阶段我国每年危险废物产生量为6000万吨/年,其中废活性炭就占65%。随着活性炭使用领域及使用量的增加,废活性炭处置成为越来越多企业环境污染治理的新问题。

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废活性炭的再生方法

一般来说,对于吸附饱和以后的废活性炭,采用的处理方式有两种:废活性炭再生、作为危废处理。而废活性炭再生具有很好的环境效益和经济效益,发展活性炭再生技术势在必行。废活性炭的再生方法有:

2.1、热再生法

热再生法是目前工艺最成熟,工业应用最多的活性炭再生方法。通过加热对废活性炭进行处理,使活性炭吸附的有机物在高温下炭化分解,最终成为气体逸出,从而使废活性炭得到再生。热再生在除去活性炭吸附的有机物的同时,还可以除去沉积在活性炭表面的无机盐。活性炭在热再生过程中,根据加热到不同温度时有机物的变化,一般分为干燥、高温炭化及活化三个阶段。

(1)干燥阶段。通过加热,使饱和炭所吸附的水分蒸发,饱和炭含水分率一般在40%~50%,蒸发水分需要消耗再生过程中总热量的50%。为降低成本,设定适当的干燥条件非常重要。在干燥阶段,部分低沸点有机物从活性炭孔脱附。

(2)高温炭化阶段。吸附在活性炭上的挥发性物质和残留在活性炭孔隙中的高沸点有机物炭化,在350℃之内,低沸点有机物便脱离;当温度继续上升至800℃,高沸点的有机物吸附质被热分解,转化为小分子物质的那一部分直接脱附,剩余部分通过缩聚反应成为固定碳形态,残留在孔隙中。通常到此阶段,再生炭的吸附恢复率已达到60%~85%。

(3)活化阶段。活化炉温度控制在800~1000℃,通过加入的水蒸气以及焙烧阶段氧化反应生成CO2等气体清理活性炭微孔,将堵塞在活性炭细孔中的有机物残炭汽化,从而使其恢复吸附性能。

热再生法的优点是再生效率高、再生时间短、对吸附质基本无选择性。但是热再生也有缺点,在热再生过程中炭损失较大,一般在5%~10%,再生炭机械强度下降,炭表面化学结构发生改变,比表面积减小,并且由于颗粒间的摩擦和可能被流动的氧化性气体带走,损失还会进一步增大,由于比表面积及性能发生变化,热再生炭的吸附效率也会有所降低,反复再生丧失吸附性能。另外,热再生所需设备较为复杂,运转费用较高,不易小型工业化。

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2.2、化学溶剂再生法

对于高浓度、低沸点的有机物吸附质,应首先考虑溶剂再生法再生。化学溶剂再生法的原理是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系,通过改变温度、溶剂pH值等条件,打破吸附平衡,将吸附质从活性炭上脱附下来,根据所用溶剂的不同可分为无机溶剂再生法和有机溶剂再生法。

(1)无机溶剂再生。是指用无机酸(H2 SO4、HCl)或碱(NaOH)等药剂使吸附质脱除,又称酸碱再生法。一方面,酸碱改变了溶液酸碱度,目的是增大活性炭中被脱除物的溶解度,从而使吸附的物质从炭中脱出;另一方面,酸碱可直接与吸附的物质起化学反应,生成易溶于水的盐类[3]。例如吸附高浓度酚的炭,用氢氧化钠溶液洗涤,脱附的酚以酚钠盐形式被回收。吸附废水中重金属的炭也可用此法再生,这时再生药剂使用HCl等。

(2)有机溶剂再生。用苯、丙酮及甲醇等有机溶剂,萃取吸附在活性炭上的吸附质。例如吸附高浓度酚的炭也可用有机溶剂再生。焦化厂煤气洗涤废水用活性炭处理后的饱和炭也可用有机溶剂再生。采用药剂洗脱的化学再生法,有时可从再生液中回收有用的物质,再生操作可在吸附塔内进行,活性炭损耗较小,但再生不太彻底,微孔易堵塞,影响吸附性能的恢复率,多次再生后吸附性能明显降低。

2.3、生物再生法

生物再生法是依靠在活性炭上繁殖的微生物,氧化分解所吸附的有机物,生成CO2和H2O,从而恢复其吸附性能。

生物再生法与污水处理中的生物法相类似,也有好氧法与厌氧法之分。由于活性炭本身的孔径很小,有的只有几纳米,微生物不能进入这样的孔隙,通常认为在再生过程中会发生细胞自溶现象,即细胞酶流至胞外,而活性炭对酶有吸附作用,因此在炭表面形成酶促中心,从而促进污染物分解,达到再生的目的。生物法简单易行,投资和运行费用较低,但所需时间较长,受水质和温度的影响很大。微生物处理污染物的针对性很强,需就特定物质专门驯化。且在降解过程中一般不能将所有的有机物彻底分解成CO2和H2O,其中间产物仍残留在活性炭上,积累在微孔中,多次循环后再生效率会明显降低。因而限制了生物再生法的工业化应用。

2.4、湿式氧化再生法

湿式氧化再生法是指将活性处于高温高压的条件下,将空气或者氧化当作氧化剂使被活性炭活性炭吸附在表面上处于液相状态的难降解有机污染物氧化成小分子物质的过程,达到再生活性炭的目的。湿式氧化法能够有效的处理一些毒性高,难降解的物质,缺点在于使用湿式氧化法操作比较麻烦,需要配制的附属设施较多,对有毒物质一旦处理不当可能会产生污染危害更大的中间产物。

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2.5、电化学再生法

电化学再生法是一种以微电解为原理的新型再生方法,在两个主电极上填充活性炭,将直流电场加入到电解液中,活性炭被电流极化形成阴阳两极,形成微电解槽。处于阴极和阳极部分的活性炭发生还原和氧化反应,从而分解吸附在活性炭上的吸附质。同时,电泳力的作用也可以使活性炭上吸附的污染物发生脱附作用,去除活性炭上吸附的污染物质,达到再生的目的。电化学再生法一般采用间歇搅拌槽电化学反应器或固定床反应器,操作简单,再生效率高,无二次污染,对污染物的处理无太多的局限性,因此,电化学再生法是一种值得期待的新型再生技术。活性炭所处的电极,所使用的电解质种类与含量,电流的大小和再生时间等影响因素有关。其中,最重要的影响因素是活性炭的再生位置,处于阴极上的活性炭再生效率要好于在阳极上的活性炭再生效率,同时再生的效率与电解质的含量,电流的大小,以及再生的时间等均成正比关系。目前,电化学再生法仍需要进一步的研究。

2.6、Fenton法再生

Fenton再生法的原理与Fenton氧化处理法的原理相同,是一种氧化再生法。1894年Fenton在实验中发现在H2O2和 Fe 2+混合后对废水拥有良好的处理效果。在此后的一百多年内,Fenton水处理法一直作为一种常规印染废水的处理方法,发展到后来在此基础上又出现Fenton法再生活性炭的工艺。Fenton反应中的双氧水具有强氧化性能,能够氧化多种难降解大分子有机物,同时Fe 2+本身可以作为催化剂,能催化双氧水产生氧化能力更强的·OH,能够很好的氧化活性炭吸附的污染物,从而实现活性炭的再生[4] 。Fenton法再生效果好,操作便利,无二次污染,但是Fenton法中所需的化料费较贵,导致成本较高,针对这些缺陷,又发展出了各种类 Fenton再生方法,其原理都是利用反应产生的氧化性自由基完成对污染物的降解,达到再生活性炭的目的。

2.7、光催化再生法

光催化再生法始于上世纪70年代,在一定波长的光源照射下,光催化剂的表面受到光子的激活产生强氧化性的自由基,通过自由基的氧化作用降解污染物,完成活性炭的再生过程。目前,主要使用的催化剂有TiO2,SRTIO等,这些催化剂都是具有较高稳定性的高价固态氧化物半导体,光催化再生只需在紫外线光源的照射下进行,不需要其他工艺步骤,操作简单,无二次污染,也可以使用日光作为光源进行照射,但是其效果较差,且所需的时间更长。

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2.8、微波辐射再生法

微波辐射再生活性炭是指经过高温使有机物脱附、炭化、活化,从而恢复其吸附能力的一种方法。微波是指电磁波谱中位于远红外和无线电波之间的电磁辐射。微波辐射过程中,有机污染物不能持续的吸收微波能量以达到降解所需的温度,而活性炭对微波有很强的吸附性[5],能有效吸收微波能量使温度达到1000 ℃以上,故可利用微波对被照物的强穿透力,通过微波加热产生的高温使活性炭上的有机污染物炭化、活化,从而恢复其吸附能力。在微波作用下有机污染物克服范德华力吸引开始脱附,随着微波能量的聚集,在致热和非致热效应共同作用下,有机污染物一部分燃烧分解放出二氧化碳,另一部分则炭化。影响微波再生活性炭的因素依次是活性炭量、微波功率、微波辐照时间和载气线速等。微波加热能够使活性炭进一步活化,提高吸附容量。

2.9、超声波再生法

由于活性炭热再生需要将全部活性炭、被吸附物质及大量的水份都加热到较高的温度,有时甚至达到汽化的温度,因此能量消耗很大,且工艺设备复杂。如在活性炭的吸附表面上施加能量,使被吸附物质得到足以脱离吸附表面,重新回到溶液中去的能量,就可以达到再生活性炭的目的。超声波再生就是针对这一点而提出的,超声波再生的最大特点是只在局部施加能量,而不需将大量的水溶液和活性炭加热,因而施加的能量很小。

研究表明废活性炭经超声波再生后,再生排出液的温度仅增加2-3℃。每处理lL废活性炭采用功率为50W的超声波发生器120min,相当于每m³活性炭再生时耗电100kWh,每再生1次的活性炭损耗仅为干燥质量的0.6%~0.8%,耗水量为活性炭体积的10倍。但其只对物理吸附有效,目前再生效率在50%左右,活性炭孔径大小对再生效率有很大影响

3、废活性的再生方法比较与现状

废活性炭的再生方法比较

序号

方法

优点

缺点

1

热再生

再生效率高、再生时间短、对吸附质基本无选择性

炭损失较大,再生炭机械强度下降,吸附效率下降,投资运行费用高

2

化学溶剂再生法

再生操作可在吸附塔内进行,活性炭损耗较小

再生不太彻底,微孔易堵塞,多次再生后吸附性能明显降低

3

生物再生法

简单易行,投资和运行费用较低

所需时间较长,受水质和温度的影响很大,多次循环后再生效率明显降低

4

湿式氧化再生法

能够有效的处理一些毒性高,难降解的物质

操作麻烦,需要配制的附属设施较多,对有毒物质处理不当可能会产生污染危害更大的中间产物

5

电化学再生法

操作简单,再生效率高,无二次污染,对污染物的处理无太多的局限性

能耗高,再生时间长,技术不成熟

6

Fenton法再生

再生效果好,操作便利,无二次污染

成本较高,技术不成熟

7

光催化再生法

再生工艺简单,设备操作容易,生产规模可以随意控制,能耗低

耗时长,再生效果差

8

微波辐射再生法

再生时间短,能耗低,效率高

在再生过程中,是否有有毒有害中间产物产生,需要进一步研究

9

超声波再生法

工艺及设备简单,能耗小,炭损失小

只对物理吸附有效,再生效率低,对活性炭要求较高

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目前,我国经营并提供废活性炭再生服务业务的企业甚少,不能解决大规模应用于吸附不同污染物的废活性炭再生。究其原因主要有:现有装置大部分处于实验室阶段,设备的处理量达不到企业要求;现有技术再生废活性炭针对性强,对含有不同类污染物的废活性炭,同一设备不能实现高效再生;同时还会面临再生效果不稳定性以及二次污染的风险。

活性炭再生不仅为企业节省了资源,减少了二次污染,同时会带来很可观的经济效益,应当根据活性炭的种类和用途以及被吸附物的成分和数量选择适当的再生方法。目前废活性炭再生技术尚未成熟,仍需进一步的研究改进。


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