活性炭的再生方法比較及其發(fā)展趨勢(shì)研究

韓庭葦，王 鄭，朱垠光，包一飛，王 倩，許志文，張友宏，陳萌萌，黃 雷，薛 僑，仲米貴

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

活性炭的再生方法比較及其發(fā)展趨勢(shì)研究

韓庭葦，王 鄭，朱垠光，包一飛，王 倩，許志文，張友宏，陳萌萌，黃 雷，薛 僑，仲米貴

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

對(duì)近年來(lái)活性炭的再生方法進(jìn)行介紹，比較各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。依據(jù)活性炭再生方法的發(fā)展過(guò)程，提出目前活性炭再生技術(shù)存在的問(wèn)題。指出活性炭的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)未來(lái)活性炭工業(yè)的發(fā)展提出建議。

活性炭；再生方法；比較 ；發(fā)展趨勢(shì)

活性炭具有巨大的比表面積、較高的孔隙率和良好的物理化學(xué)性能，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，對(duì)分子的吸附能力很強(qiáng)，是水處理領(lǐng)域中應(yīng)用最多的吸附劑?；钚蕴砍Ｓ糜谔幚砩钗鬯?、有機(jī)廢水以及水的深度凈化，在溶劑回收、食品飲料提純、空氣凈化、環(huán)保、醫(yī)藥、化工、黃金提煉、半導(dǎo)體、原子能、生物工程、納米材料、高效催化劑等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用［1］。但經(jīng)吸附或脫色后的廢活性炭使用成本較高，廢棄飽和活性炭造成資源浪費(fèi)及二次污染等問(wèn)題，極大限制了活性炭的應(yīng)用范圍。因此，活性炭再生具有重要的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文主要對(duì)近年來(lái)活性炭的再生方法進(jìn)行介紹，比較各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)梳理活性炭再生的發(fā)展?fàn)顩r，提出目前活性炭再生技術(shù)存在的問(wèn)題以及今后的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)活性炭再生的進(jìn)一步研究提出建議。

1 活性炭再生原理

活性炭的再生，就是運(yùn)用物理、化學(xué)或生物化學(xué)等方法，在不破壞活性炭原有結(jié)構(gòu)的前提下，將飽和吸附各種污染物的活性炭恢復(fù)其吸附性能，以達(dá)到能夠重新用于吸附過(guò)程的目的［2］。一般采取以下辦法破壞其吸附平衡的狀態(tài):改變吸附質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)；用對(duì)吸附質(zhì)親和力強(qiáng)的溶劑萃??；用對(duì)活性炭親和力比吸附質(zhì)大的物質(zhì)把吸附質(zhì)置換出來(lái)，然后再使置換物質(zhì)脫附；使吸附物分解或氧化；降低溶劑中溶質(zhì)濃度或壓力；用外部加熱、升高溫度來(lái)改變平衡條件等，以實(shí)現(xiàn)活性炭的再生［3］。

2 活性炭的再生方法

2.1 熱再生法

熱再生法是我國(guó)發(fā)展歷史最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)的再生方法。熱再生法是在高溫條件下，將吸附飽和的活性炭中的吸附質(zhì)進(jìn)行解吸，使活性炭原來(lái)被堵塞的孔隙打開(kāi)，從而恢復(fù)其吸附性能［4］?；钚蕴繜嵩偕话惴譃楦稍?、熱解、活化三個(gè)階段。加熱再生能夠分解多種吸附質(zhì)，顯示出良好的通用性能，而且再生徹底，沒(méi)有再生廢液產(chǎn)生。但每再生一次，活性炭損失較大且能耗較高。

2.2 生物再生法

生物再生法是利用在活性炭上繁殖的微生物來(lái)降解活性炭表面的吸附質(zhì)，氧化分解生成二氧化碳和水，從而實(shí)現(xiàn)活性炭再生［5］。這種利用微生物對(duì)吸附質(zhì)的降解作用實(shí)現(xiàn)活性炭脫附再生的方法，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、減少再生化學(xué)試劑的使用、降低能耗等特點(diǎn)，具有其他再生方法不可替代的優(yōu)勢(shì)。生物再生工藝包括非原位生物再生、原位生物再生（包括生物活性炭處理和固定床反應(yīng)器生物再生工藝）。非原位生物再生是指將飽和吸附的活性炭加入到再生菌液中，進(jìn)行活性炭的解吸再生。當(dāng)微生物存在時(shí)，從活性炭上解吸進(jìn)入液相主體中的物質(zhì)不斷地被微生物的代謝過(guò)程所消耗，從而使被處理物質(zhì)不斷地從活性炭轉(zhuǎn)移到液相主體中［5］。近年來(lái)有許多研究者將活性炭表面作為微生物繁衍的場(chǎng)所，在活性炭吸附水中有機(jī)物的同時(shí)，微生物也發(fā)揮著生物降解作用。這種具有協(xié)同作用的水處理技術(shù)和相對(duì)簡(jiǎn)單的活性炭吸附作用相結(jié)合，可使活性炭使用周期延長(zhǎng)。

2.3 濕式氧化再生法

濕式氧化再生法是在高溫高壓的環(huán)境下，以空氣或者純氧為氧化劑，把處于液相狀態(tài)下的活性炭上吸附的有機(jī)物氧化分解為小分子，從而恢復(fù)其吸附性能。若在濕式氧化法的體系中加入適當(dāng)催化劑，則可大幅降低活性炭上有機(jī)吸附質(zhì)的分解溫度，從而有效地實(shí)現(xiàn)低溫再生，減少能耗。合適的催化劑在活性炭再生過(guò)程中起著重要作用。樊強(qiáng)［6］利用永磁旋轉(zhuǎn)攪拌高壓釜裝置，設(shè)定氧氣分壓為0.10MPa，設(shè)定再生溫度分別為150℃、200℃和250℃，再生時(shí)間分別為0.5h和1h，共6組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)新PAC與6個(gè)再生PAC進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算出各再生條件下的PAC再生率，得出濕式氧化再生的最佳工藝條件為200℃、1h的工藝組合，以有機(jī)物指標(biāo)DOC、COD、UV254表征的PAC再生率分別為80.5%、83.9%、87.7%。

2.4 化學(xué)藥劑再生法

化學(xué)藥劑再生法可分為無(wú)機(jī)藥劑再生和有機(jī)溶劑萃取再生。無(wú)機(jī)藥劑再生就是使用無(wú)機(jī)酸或堿改變?nèi)芤旱乃釅A值進(jìn)行脫附，操作過(guò)程中不需另增再生設(shè)備，投資相對(duì)較少，工藝簡(jiǎn)單。但再生后的活性炭只能恢復(fù)到一定程度，很難完全再生。溶劑萃取再生就是使用溶劑將被吸附的有機(jī)物從活性炭上萃取下來(lái)，從而恢復(fù)吸附能力。該法可回收有用的吸附質(zhì)，只是再生效率不高，易導(dǎo)致微孔堵塞。

2.5 微波輻射再生法

微波是介于紅外和無(wú)線電波之間的電磁波譜，其頻率在0.3～300GHz（波長(zhǎng)1mm～1m），用于加熱技術(shù)的微波頻率固定在2450MHz或900MHz。微波輻射再生活性炭是指在高溫條件下，使有機(jī)物脫附、炭化、活化，進(jìn)而恢復(fù)其吸附性能的一種新興方法［7］。微波加熱不同于傳統(tǒng)的加熱方法，具有受熱均勻快速、可局部施加能量等優(yōu)點(diǎn)，從而可以大幅度提高處理效率，降低能耗。張威等人［7］通過(guò)三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，探討了活性炭的再生效果與微波輻照的功率、時(shí)間以及活性炭吸附量等因素的關(guān)系。結(jié)果證明，微波功率低，輻照時(shí)間短，碘值變化不明顯；微波功率大，輻照時(shí)間長(zhǎng)，活性炭存在燒損現(xiàn)象。蔡道飛［8］通過(guò)比較真空加熱再生、加熱再生和微波真空加熱再生3種不同工藝下的活性炭吸附解吸實(shí)驗(yàn)，以吸附容量和再生率為指標(biāo)，對(duì)3種再生方法進(jìn)行表征。得出結(jié)論:3種工藝均對(duì)活性炭結(jié)構(gòu)有所破壞，但微波真空再生后，其活性炭的凈吸附容量最大，明顯優(yōu)于真空加熱再生和加熱再生后的活性炭。李長(zhǎng)海［9］采用微波輔助溶劑技術(shù)，以苯胺作吸附質(zhì)， 比較新鮮活性炭和再生活性炭的吸附性能。研究發(fā)現(xiàn)，微波功率、輻照時(shí)間、脫附劑的性質(zhì)是影響活性炭再生效果的主要因素，并得出微波功率700W，輻射時(shí)間120s，脫附劑pH在7.5～8.0，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液，再生效果最好。王曉燕［10］利用活性吸附-微波再生技術(shù)3次循環(huán)處理了經(jīng)s-Fe0或s-Fe0-Cu雙金屬還原降解后的染料廢水，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TOC的去除率大大提高，最終去除率高達(dá)80%以上，生物毒性顯著下降，光抑制率也降到20%以下，能夠達(dá)到安全排放的標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 超聲波再生法

超聲波作用產(chǎn)生能量很高的“空化泡”，“空化泡”在溶液中增大，繼而破裂成小氣泡，產(chǎn)生的高壓沖擊波作用于吸附劑表面，可使吸附質(zhì)脫附［11］。連子如［12］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波再生用來(lái)處理焦化廢水中吸附飽和的粉末活性炭是可行的。以自來(lái)水為再生液，最佳的再生工藝條件為:超聲波頻率22kHz，超聲功率200W，活性炭與再生液質(zhì)量比為1∶15，pH=7，超聲作用20min，活性炭再生效率高達(dá)69.39%左右。朱金鳳［13］采用超聲發(fā)生器作為再生設(shè)備，分別從超聲作用時(shí)間、超聲再生時(shí)再生液溫度、超聲再生時(shí)再生液的種類(lèi)等幾個(gè)方面，對(duì)超聲波再生吸附苯酚飽和活性炭的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最終確定了超聲再生的最佳時(shí)間為20min，溫度為30℃，超聲再生液為0.25mol·L-1的氫氧化鈉溶液時(shí)，再生效率顯著提高。

2.7 電化學(xué)再生法

電化學(xué)再生法主要用于顆?；钚蕴康脑偕?。它是將失效的活性炭填充在兩個(gè)主電極之間，在電解液中加直流電場(chǎng)，使活性炭在電場(chǎng)作用下極化，形成微電解槽。一部分因電泳力作用發(fā)生脫附而使活性炭再生，一部分依靠電解產(chǎn)物氧化分解吸附物或與之生成絮狀物［14］。魏代波［15］使用粒徑0.9～2.0mm的煤質(zhì)活性炭吸附苯酚模擬廢水至飽和，用平板式電解反應(yīng)器再生飽和活性炭，探討了影響活性炭再生效率的主要因素。結(jié)果表明，再生時(shí)間對(duì)再生效果影響最大，電解質(zhì)濃度次之，電流密度影響最小。并得到再生的最佳工藝條件為:再生時(shí)間5h，輔助電解質(zhì)NaCl為2.00g·L-1，電流密度為3mA·cm-2，活性炭再生效率為80.29%。

2.8 超臨界流體再生法

物質(zhì)的溫度和壓力高于其臨界溫度和臨界壓力時(shí)，稱(chēng)為超臨界流體。由于超臨界流體具有密度大、表面張力小、溶解度大、擴(kuò)散性能好等特點(diǎn)［16］，這種方法逐漸受到研究者的關(guān)注。目前常用的超臨界流體為二氧化碳，已有研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)活性炭的再生效果比較理想，且經(jīng)多次循環(huán)再生，仍有較高的吸附性能。但其應(yīng)用的廣泛性難以證明，研究的理論基礎(chǔ)不夠深入，缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，僅限于實(shí)驗(yàn)研究，未應(yīng)用于中試和工業(yè)規(guī)模研究。

2.9 光催化再生法

光催化再生法是指在一定波長(zhǎng)范圍的光的作用下，光催化劑產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的活性物質(zhì)，通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)使吸附在活性炭上的有機(jī)物被氧化分解為二氧化碳、水以及其他無(wú)機(jī)物，從而恢復(fù)活性炭的吸附性能［17］。劉瑤［18］通過(guò)自制的氣相光催化反應(yīng)裝置，利用氣相色譜對(duì)甲苯的去除效率進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)其光催化活性和再生效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在紫外光的催化作用下，I-TiO2/AC能夠?qū)崿F(xiàn)吸附飽和活性炭的原位再生。I-TiO2/AC經(jīng)過(guò)250W汞燈光照射4h后再生率可達(dá)到68.98%，氣相甲苯的去除效率可達(dá)85.2%。反復(fù)再生3次，再生率幾乎不變化。

2.10 其他再生方法

除了以上幾種再生方法外，離子交換再生、紅外加熱再生、相轉(zhuǎn)移再生、高頻脈沖再生、弧放電加熱再生、原位蒸氣再生法、浮選再生法、雙極性顆粒床電極法、活性炭強(qiáng)制放電再生法、DBD等離子體再生法、Fenton再生法［19］均在實(shí)際中有所應(yīng)用，但大多仍處于研究階段，未應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中。

表1 活性炭再生方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 活性炭再生方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

表1對(duì)一些活性炭再生方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)比較。

4 存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的活性炭再生方法存在著活性炭損失較大、再生后吸附能力明顯下降、再生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。雖然新興的活性炭再生方法不斷發(fā)展，但在活性炭再生過(guò)程中仍有許多技術(shù)性難題需要廣大研究者去攻關(guān)。由于活性炭吸附的雜質(zhì)種類(lèi)復(fù)雜，各種被吸附雜質(zhì)性質(zhì)迥異，導(dǎo)致活性炭再生技術(shù)的發(fā)展困難重重。此外，再生后的活性炭從再生系統(tǒng)分離仍有一定的難度，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的分離技術(shù)并不能進(jìn)行有效分離。盡管活性炭再生方法日益增加，但部分活性炭再生方法的再生效率并不高，再生速率緩慢，再生設(shè)備不夠先進(jìn)。有些活性炭再生方法節(jié)能增效，環(huán)保綠色，但目前對(duì)其再生機(jī)理的認(rèn)識(shí)卻不夠深入透徹，導(dǎo)致活性炭再生過(guò)程的安全性無(wú)法保障。部分再生方法僅在實(shí)驗(yàn)室研究階段，并不能進(jìn)一步應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)踐。

5 解決方法及建議

根據(jù)活性炭再生方法及再生技術(shù)所存在的問(wèn)題，相應(yīng)的解決方向已經(jīng)很明顯。但如何進(jìn)一步研究，找出突破口，仍需要我們不懈的努力與探索。目前用于水處理的活性炭多為粉末狀或小顆粒狀，這給分離帶來(lái)了困難。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)活性炭的種類(lèi)和用途，以及被吸附物質(zhì)的性質(zhì)，選擇最合理科學(xué)的再生方法。在對(duì)傳統(tǒng)再生工藝進(jìn)行不斷改進(jìn)的同時(shí)，還應(yīng)該積極研究新的再生技術(shù)及分離技術(shù)，并嘗試用多種方法對(duì)活性炭進(jìn)行有效分離。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)造模型或假設(shè)演繹，對(duì)某些再生機(jī)理進(jìn)行深入研究，促進(jìn)更大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)踐。隨著活性炭的再生工藝得到不斷改進(jìn)，新興的再生設(shè)備也會(huì)不斷出現(xiàn)，高效處理裝置會(huì)逐漸替代老舊設(shè)備，對(duì)提高再生效率起關(guān)鍵性作用。

除了改進(jìn)活性炭的再生技術(shù)，活性炭的制備技術(shù)也是需要重點(diǎn)關(guān)注的。與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的活性炭產(chǎn)品品種有限，未實(shí)現(xiàn)品種的專(zhuān)業(yè)化和多樣化。我國(guó)活性炭企業(yè)應(yīng)當(dāng)向發(fā)達(dá)國(guó)家看齊，重視新技術(shù)和新產(chǎn)品的研發(fā)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)活性炭企業(yè)更好更快發(fā)展。另外，我國(guó)在制造活性炭時(shí)使用的活化劑消耗較大，回收率低，更應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)借鑒日本的氯化鋅法活性炭生產(chǎn)技術(shù)和美國(guó)的磷酸法生產(chǎn)活性炭技術(shù)［21］。此外，進(jìn)行原料預(yù)處理、使用催化活化劑、使用模板、利用物理化學(xué)活化制得超性能活性炭等方法，都可以在一定程度上促進(jìn)活性炭制備工藝的進(jìn)步。

隨著活性炭應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，利用廢棄物（如農(nóng)業(yè)廢棄物、木質(zhì)廢棄物、廢棄輪胎、城市污泥污水等）制備活性炭，研制具有復(fù)合機(jī)能的活性炭以及尋找廉價(jià)的粘接劑都具有極大的發(fā)展前景。

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Comparison on Regeneration Methods of Activated Carbon and its Development Trend

HAN Ting-wei， WANG Zheng， ZHU Yin-guang， BAO Yi-fei， WANG Qian， XU Zhi-weng， ZHANG You-hong，CHEN Meng-meng， HUANG Lei， XUE Qiao， ZHONG Mi-gui
（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

The regeneration methods of activated carbon in recent years were introduced and the advantages and disadvantages of each method were compared. Based on the development of regeneration methods of activated carbon， t he problems about activated carbon regeneration techniques which existed at present were proposed. Furthermore， the development trend of activated carbon regeneration was pointed out， and some suggestions on the future development of activated carbon industry were gave.

activated carbon； regeneration methods； comparison； development trend

TQ 424.1

A

1671-9905（2016）10-0044-05

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016-K4-65）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015-146）；南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016-173）

通訊聯(lián)系人：王鄭（1978-），男，博士，副教授，從事水處理理論與技術(shù)方面的研究。電話:13951687455，E-mail: wangzheng@ njfu.edu.cn

2016-08-08