活性炭微波輻射再生研究

彭乾，徐興鈴，劉思航，袁衛(wèi)紅

（維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213002）

活性炭是一種具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、極大比表面積和極強(qiáng)吸附能力的類似石墨結(jié)構(gòu)的無(wú)定型炭[1]。由于其本身特殊的微晶結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，活性炭在工業(yè)用水處理、城市居民生活污水處理及工業(yè)廢水處理、生活環(huán)境的空氣凈化、催化劑等很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。

活性炭吸附凈化污染物技術(shù)非常實(shí)用，而且效率很高，但也會(huì)產(chǎn)生大量吸附飽和的活性炭，這些廢棄的活性炭處理往往需要占用較大面積的垃圾填埋場(chǎng)，或者采用焚燒的方式處理，既造成資源浪費(fèi)，又可能對(duì)環(huán)境造成二次污染[3]。從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，活性炭再生技術(shù)的研究不僅具有工程利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且對(duì)于減少碳排放和環(huán)境中的二次污染也有一定的積極意義。

目前活性炭的再生工藝主要有聲波再生法[4]、化學(xué)再生法[5]、流體再生法[6]、氧化再生法[7]、熱再生法[8]、生物再生法[9]。其中熱再生法是工業(yè)上最成熟的活性炭再生方法，但由于熱再生需要外加能源加熱，活性炭受熱不均勻，局部過(guò)熱而內(nèi)部加熱不充分，最終導(dǎo)致碘值偏低。微波輻射再生活性炭是指經(jīng)過(guò)微波加熱使活性炭上吸附的有機(jī)物脫附、炭化、活化，從而恢復(fù)其吸附能力的一種方法[10]。微波加熱通過(guò)被加熱體內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“內(nèi)摩擦熱”而使被加熱物料溫度升高，不需任何熱傳導(dǎo)過(guò)程，就能使物料內(nèi)外部同時(shí)加熱，同時(shí)升溫，加熱速度快且均勻，在微波作用下污染物克服范德華力吸引開(kāi)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(jī)污染物一部分燃燒分解放出二氧化碳，另一部分則炭化，因此微波輻射再生相較于熱再生優(yōu)勢(shì)明顯。本實(shí)驗(yàn)就微波再生活性炭進(jìn)行了研究，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(shí)間和載氣線速等。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

活性炭；垃圾滲濾液納濾濃液。

MKG-M2HB 型微波管式爐；鼓風(fēng)干燥箱，精宏公司；精密天平，梅特勒托利多公司；玻璃干燥器；JJ-H5振蕩器；氮?dú)怃撈俊?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

取垃圾滲濾液納濾濃液作為活性炭吸附水質(zhì)，取100 g 活性炭加入1 000 mL 納濾濃液中，200 r/min、25℃振蕩，定時(shí)取樣，采用國(guó)標(biāo)法（GB/T 12496.8-2015）測(cè)量樣品碘值[11]，若樣品碘值不變，則表明活性炭已吸附飽和。

1.2.2 活性炭微波輻射再生實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 微波輻射實(shí)驗(yàn)步驟

取吸附飽和的活性炭100 g，在鼓風(fēng)干燥箱中于150℃下干燥4 h，取出后放入干燥器中冷卻至室溫，測(cè)量其碘值。用分析天平稱取干燥飽和活性炭，置于微波加熱爐專用反應(yīng)皿中。微波加熱爐啟動(dòng)前需通入氮?dú)獍盐⒉ü苁綘t中空氣排出，并調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁? L/min[12]，維持爐內(nèi)真空環(huán)境并作為保護(hù)氣體，設(shè)置加熱溫度、加熱時(shí)間與載氣流量，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到后需繼續(xù)通入氮?dú)?，直到溫度降低?50℃以下，取出反應(yīng)皿并放入干燥器內(nèi)冷卻，取冷卻后的活性炭，測(cè)量其得率及碘值。

1.2.2.2 摸索微波適宜條件

設(shè)置氮?dú)饬髁繛? L/min，微波加熱時(shí)間為10 min，改變微波加熱溫度（功率），分別設(shè)置為300℃、400℃、500℃，測(cè)量活性炭碘值，得出最佳微波輻射條件。

1.2.3 活性炭SEM、EDS、BET比表面積檢測(cè)

委托檢測(cè)技術(shù)（杭州）有限公司對(duì)新鮮活性炭、飽和活性炭及再生活性炭進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）以及全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀BET的檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

活性炭吸附NF 濃液6 h 后碘值由979 mg/L 降至566 mg/L，且維持不變，表明此時(shí)活性炭已吸附飽和（圖1）。

圖1 活性炭碘值變化

2.2 活性炭微波輻射再生實(shí)驗(yàn)

2.2.1 活性炭微波輻射再生最佳實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)置氮?dú)饬髁? L/min，微波加熱10 min，改變微波加熱溫度（功率），分別設(shè)置300℃、400℃、500℃，測(cè)量活性炭碘值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同微波條件下活性炭再生

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微波10 min，氮?dú)饬髁? L/min 不變，400℃為最優(yōu)，其碘值、恢復(fù)率及得率均為最高；其次為300℃；500℃最差。

2.2.2 活性炭一次再生吸附效果

微波10 min，氮?dú)饬髁? L/min 不變，400℃處理的再生活性炭COD 僅次于原始活性炭的吸附能力，高于微波300℃，結(jié)果如表2。

表2 一次再生活性炭效果對(duì)比

2.2.3 活性炭多次再生

活性炭經(jīng)多次再生后對(duì)NF 濃液吸附的COD 數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 活性炭多次再生吸附實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)多次再生后，活性炭的碘值及吸附COD 能力變化如表4、圖2、圖3所示。

表4 再生活性炭碘值及吸附能力變化

圖2 再生活性炭碘值變化

圖3 活性炭碘值與吸附能力變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活性炭經(jīng)一次再生后的碘值及吸附能力較高，但是后續(xù)再生碘值就急劇下降，對(duì)應(yīng)的吸附效果變差。

2.3 活性炭SEM檢測(cè)

活性炭樣品經(jīng) SEM 檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示，其中4-A代表新鮮活性炭，4-B代表再生活性炭，4-C代表飽和活性炭。結(jié)果顯示，新鮮活性炭孔道通暢，無(wú)雜質(zhì)附著；飽和活性炭孔道被雜質(zhì)污堵；再生活性炭孔道打開(kāi)，表面吸附物質(zhì)明顯減少，孔隙得到明顯疏通和恢復(fù)，再生效果明顯。

圖4 活性炭掃描電鏡圖

2.4 活性炭EDS檢測(cè)

圖5 活性炭EDS檢測(cè)結(jié)果

EDS 結(jié)果（圖5）顯示，活性炭吸附納濾濃縮液飽和以后增加了 Ca、Mg、Na 元素，而 Si、K、S 分別增加了2.51%、0.24%、1.3%，這與納濾濃縮液里面的成分是密切相關(guān)的。經(jīng)微波輻射再生后活性炭的Ca、Mg、Na、S較飽和活性炭分別降低了28.6%、25%、100%、76.1%。

2.5 活性炭BET檢測(cè)

新鮮活性炭比表面積為464.44 m2/g，經(jīng)微波再生后活性炭比表面積為415.65 m2/g，恢復(fù)至新鮮活性炭比表面積的89.5%，此結(jié)果也與再生活性炭的碘值恢復(fù)呈正相關(guān)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)得出活性炭最佳微波輻射再生的條件為溫度400℃，時(shí)間10 min，加載氮?dú)? L/min。一次微波再生后活性炭碘值為860 mg/L，恢復(fù)至新鮮活性炭碘值的87.9%，吸附COD 效果恢復(fù)79.2%，比表面積恢復(fù)89.5%，Ca、Mg、Na、S 元素含量較飽和活性炭分別降低28.6%、25%、100%、76.1%。SEM圖譜也表明，再生活性炭孔道打開(kāi)，表面雜質(zhì)明顯減少，孔結(jié)構(gòu)增多，表明微波再生活性炭有效，與上述結(jié)論一致。因此，從經(jīng)濟(jì)和工程方面考慮，可以使用微波再生的活性炭。