微波輻射再生粉末活性炭試驗研究

浦燕新，韓穎，楊虎君，王孝友

（維爾利環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司，江蘇常州213125）

目前，活性炭作為一種應(yīng)用非常廣泛的吸附材料，利用其表面的多孔性及其強大的比表面積，使廢水中的有機污染物、無機污染物和重金屬離子等吸附于其孔隙表面，達到去除廢水中有害物質(zhì)的目的。

但是經(jīng)吸附飽和后的活性炭失去應(yīng)用價值，回到環(huán)境后造成二次污染及資源浪費，因此活性炭再生成為急需解決的課題。常見的再生方法有加熱再生法、化學藥品再生法、生物再生法、電化學再生法等。微波是介于紅外和無線電波之間的電磁波譜，其頻率在0.3～300 GHz，微波加熱的原理主要是離子傳導機理和偶極子轉(zhuǎn)動機理。微波環(huán)保技術(shù)是微波處理技術(shù)與環(huán)境資源回收利用技術(shù)的新興交叉技術(shù)，利用微波輻射處理的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的快速均勻等優(yōu)點來大幅度提高處理效率，同時大幅度降低能耗，是一種節(jié)能增效的清潔技術(shù)。

在微波作用下，吸附在活性炭表面的有機污染物克服范德華力吸引開始脫附，隨著微波能量的聚集，在致熱和非致熱效應(yīng)共同作用下，有機污染物一部分燃燒分解放出二氧化碳，另一部分則炭化。影響微波再生活性炭的因素依次是微波功率（溫度）、微波輻照（溫度持續(xù)）時間和載氣線速等。本文摸索微波輻射對活性炭再生碘吸附值和得率的影響，并找出適宜的反應(yīng)條件；研究了在相同溫度和輻射時間的條件下，對比在空氣中、持續(xù)通氮氣及真空條件下微波輻射對活性炭碘吸附值和得率的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和設(shè)備

新活性炭，碘值984.32（mg/g）；廢活性炭，碘值634.22（mg/g）。

MKG-M2HB型微波管式爐；鼓風干燥箱；精密天平，梅特勒托利多；JJ-H5振蕩器；氮氣鋼瓶等。

1.2 分析方法

分析方法均采用國家標準方法，其中COD的測定采用快速消解分光光度法，碘值測定采用ASTM D4607-90標準。

1.3 實驗原理

在微波爐中，磁控管輻射出的微波在腔內(nèi)形成微波能量場，并以極高的速度改變正負極性，使活性炭中吸附的極性分子隨正負極性改變而高頻改變方向，并在相互碰撞、摩擦中產(chǎn)生高熱量，使被吸附在孔道中的水和有機物質(zhì)受熱揮發(fā)和碳化，活性炭的孔道重新打開，活性炭本身也要吸收微波而升溫，燒失一部分炭，使孔徑擴大，從而使活性炭恢復到原來的吸附活性。

將活性炭加熱至100℃～150℃，含水率40%～50%活性炭中的水分蒸出，同時部分低沸點的有機質(zhì)揮發(fā)，另一部分被炭化，留在活性炭的細孔中。加熱至300℃～700℃，低沸點的有機物全部揮發(fā)出來，高沸點的有機物出現(xiàn)熱分解，一部分成為低沸點有機物揮發(fā)脫附，另一部分被炭化后留在活性炭的細孔中。繼續(xù)加熱至700℃～1 000℃，將殘留在微孔中的碳化物分解為一氧化碳、二氧化碳和氫等活化氣體逸出，達到重新造孔的目的。

1.4 試驗方法及步驟

在成本較為經(jīng)濟的情況下，為了得到最優(yōu)的反應(yīng)條件，故設(shè)計三因素三水平的正交試驗表，其中三因素分別為：微波加熱溫度、微波加熱時間和氮氣流量。據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)，微波加熱活性炭200℃～500℃，碘值呈上升趨勢，500℃與600℃時碘值無明顯變化。因素水平表如表1所示。

表1 微波輻射活性炭因素水平表

試驗步驟為：

（1）用分析天平稱取2 g活性炭，置于微波加熱爐專用反應(yīng)皿中。

（2）微波加熱爐啟動前通入氮氣置換空氣，排空后調(diào)節(jié)氮氣流量為微波輻射活性炭試驗表中的實驗條件。

（3）按照微波輻射活性炭試驗表中的實驗條件設(shè)置加熱溫度、加熱時間與載氣流量。

（4）反應(yīng)時間達到后需繼續(xù)通入氮氣，直到溫度降低至150℃以下，取出反應(yīng)皿并放入干燥器內(nèi)冷卻。

（5）取冷卻后的活性炭測量其得率及碘值。

2 實驗結(jié)果

2.1 正交實驗結(jié)果

實驗過程中，取吸附飽和的活性炭100 g，在鼓風干燥箱中于150℃下干燥4 h，取出后放入干燥皿中冷卻至室溫，測量其碘值。取干燥后的活性炭2 g，按照微波輻射活性炭試驗表中的試驗條件進行試驗，具體數(shù)據(jù)見表2及表3所示。

表2 微波輻射活性炭正交實驗數(shù)據(jù)表

分析表3初步可知，當微波溫度為300℃，微波再生時間15 min，氮氣流量3 L/min時，再生后的活性炭碘值最高，為966.25 mg/g。400℃，10 min，2 L/min時，再生后的活性炭碘值最高，為982.67 mg/g。當微波再生溫度為500℃時，再生時間10 min，氮氣流量2 L/min時，再生后的活性炭碘值最高，為1 040.86 mg/g。

表3 微波輻射活性炭極差分析表

針對微波再生活性炭碘值數(shù)據(jù)，分析表3可知：因素A影響最大，因素B和因素C相差不大，對結(jié)果影響較小。碘值數(shù)據(jù)中，A因素中K數(shù)值較大，B因素中K數(shù)值較大，C因素中K數(shù)值較大。以碘值為指標時，ABC的組合為最優(yōu)組合，即微波加熱溫度為500℃、加熱10 min、載氣流量3 L/min。

針對活性炭再生得率數(shù)據(jù)，分析表3可知：因素B影響最大，其次為因素A，因素C基礎(chǔ)最小，對結(jié)果影響較小。得率數(shù)據(jù)中，A因素中K數(shù)值較大，B因素中K數(shù)值較大，C因素中K數(shù)值較大。以得率為指標時，ABC的組合為最優(yōu)組合，即微波加熱溫度為300℃、加熱5 min、載氣流量1 L/min。

綜合考慮活性炭再生碘值和得率，以微波加熱溫度為500℃、加熱5 min、載氣流量1 L/min為最佳反應(yīng)試驗條件。

2.2 微波充氣方式對再生結(jié)果的影響

通過正交試驗得知微波載氮氣再生活性炭試驗的最佳反應(yīng)條件為：微波加熱溫度為500℃、加熱5 min、載氣流量1 L/min，針對此條件進行對比試驗，數(shù)據(jù)如表4。

表4 不同填充氣體對再生碘值的影響

再生后的得率，載氮氣最高為85.7%，載空氣得率為55.86%，真空下活性炭粉末容器破損被吸脫，未測出。1活性炭接觸空氣被氧化，灰分較高。2為真空狀態(tài)加熱，未呈現(xiàn)明顯灰分。3、4載氮氣，灰分狀態(tài)較小。

氮氣下，700℃與500℃再生后碘值的變化情況相差不大，故最佳反應(yīng)條件依然為微波加熱溫度500℃、加熱5 min、載氣流量1 L/min。

2.3 再生后活性炭吸附能力對比

通過2.2再生活性炭方法對比試驗可知，在幾種不同條件下再生后活性炭的碘值均能達到理想狀態(tài)。為了驗證碘值高低和活性炭吸附有機物能力大小的對應(yīng)情況，用再生后的活性炭直接對垃圾滲濾液納濾濃縮液COD進行吸附，并測量其吸附容量。其中，垃圾滲濾液納濾濃縮液原水COD為6 990 mg/L，單次實驗采用0.2 g活性炭和50 mL滲濾液納濾濃縮液混合振蕩4 h，試驗數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同填充氣體對再生碘值的影響

再生后活性炭碘值與COD吸附容量的曲線如圖1所示。

圖1 再生后活性炭碘值與COD吸附容量圖

再生后活性炭對中濃廢水COD的吸附容量和碘值對應(yīng)情況良好。當采用氮氣再生時，再生溫度500℃，再生時間5 min時的活性炭吸附效果最佳，吸附容量可達607.5 mg/g。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用于廢水處理的活性炭在吸附飽和后可以用微波輻射再生。

（2）微波加熱溫度500℃、10 min、載氣流量3 L/min時，再生活性炭碘值最高。

（3）微波設(shè)備空氣、真空和氮氣下，加熱500℃，再生活性炭的碘值均在1 000 mg/g以上。但填充空氣時，活性炭中灰分較多。氮氣下，再生得率最高。

（4）當微波再生時填充氮氣，再生溫度500℃、5 min時，活性炭吸附效果最佳，吸附容量達到607.5 mg/g。