没食子酸生产中废炭渣的活化再生及其吸附性能

刘扬林， 刘文剑， 蒋新元， 刘淑云

(1.长沙环境保护职业技术学院， 湖南 长沙 410004； 2.中南林业科技大学材料科学与工程学院， 湖南 长沙 410004)

0 前 言

目前，活性炭已广泛应用于化工、石油、环保、国防和医药食品等领域，成为工业领域和生活中必不可少的材料，特别是在世界环境日益恶化的今天，活性炭在环境保护方面的重要作用与大量使用再次引起了各国研究人员的关注.由于其价格较高，若使用一次就丢弃，则既不经济又会造成环境污染[1].活性炭再生过程中首先要考虑尽量减少对碳基质本身的影响，保证再生炭的吸附性能，同时要求再生工艺简单、运行成本低、设备操作容易、再生后产生的二次污染尽可能小、生产规模便于控制，常用方法有热再生法、生物再生法、湿式氧化再生法、化学药剂再生法、电化学再生法、微波辐射再生法、超声波再生法、超临界CO2萃取再生法等[2].

没食子酸又名倍酸、五倍子酸，其化学名称为3, 4, 5-三羟基苯甲酸，可用作食品抗氧化剂、药品、除臭剂、着色剂、净化剂、防锈涂料、化妆品等，目前国内产品多用于出口，附加价值较高[3, 4].为制得纯度高、色浅的没食子酸，通常采用大量活性炭进行脱色和纯化，故在没食子酸的生产中会产生大量的活性炭废渣，为减轻污染，美化环境，降低成本，有必要对其进行资源化利用.本文研究了没食子酸生产过程中活性炭废渣的活化再生条件及再生炭的吸附性能，期望为活性炭废渣的再生利用提供支持.

1 材料与方法

1.1 实验仪器及原料

仪器：UV-1201紫外可见光分光光度计，炭化炉，振荡仪，水浴锅.

原料：苯酚(分析纯)，KOH(分析纯)，原活性炭(简称RAC)，废炭渣(取自湖南某化工企业).

1.2 废炭渣的热再生

热再生是目前应用最多、工业上最成熟的活性炭再生方法，其原理是将湿炭用高温气体慢慢干燥，在加热过程中，被吸附的有机物按其性质不同，通过水蒸气蒸馏、解吸或热分解等过程以解吸、炭化、氧化的形式从活性炭的基质上消除[5].热再生操作简单、成本低，但是其不能完全消除活性炭中的污染物，并且吸附性能没有得到很大的提高，同时由于所需温度较高，烧失较大，因而造成得率较低[2].

本实验先用60 ℃蒸馏水对废炭渣恒温搅拌浸泡2 h进行预处理，过滤置于105 ℃烘箱中烘3～5 h.将预处理后的废炭渣在炭化温度500 ℃、炭化时间2 h的条件下制备热再生炭(简称TAC).

1.3 废炭渣的活化再生

本文基于活性炭的活化机理[6, 7]对废炭渣进行KOH活化再生，采用正交试验得出KOH活化废炭渣的最佳条件.实验采用氢氧化钾溶液浸泡预处理后的废炭渣，通过L16(45)正交试验考查了浸泡时氢氧化钾溶液浓度、浸泡时间、炭化温度以及炭化时间对废炭渣吸附性能的影响，得到KOH活化再生炭(简称AAC).

常温下，将正交试验条件下经氢氧化钾活化的废炭渣0.1 g加入到100 mL、250 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，于150 r/min 振荡吸附24 h，过滤得清液，用紫外可见光分光光度计(波长665 nm处)测定清液的吸光度，计算KOH活化炭对亚甲基蓝的吸附量，得到KOH活化炭的最佳制备工艺条件.

1.4 KOH活化炭对苯酚的吸附性能测定

1.4.1 吸附时间对KOH活化炭吸附苯酚的影响

根据废炭渣KOH活化正交试验中得到的最优条件，制备一批活化炭(AAC)，分别取0.1 g活化炭加入6份体积为100 mL、浓度为100 mg/L的苯酚溶液中，置于恒温振荡仪中振荡，振荡时间分别为15 min、30 min、60 min、120 min、150 min、180 min，过滤得清液，用紫外可见光分光光度计(270 nm 处)测定清液中苯酚含量，根据公式(1)计算活化炭对苯酚的吸附量，并与原使用的活性炭(RAC)和热再生炭(TAC)进行比较：

Q=(c0-c1)×V0/B

(1)

式中：Q为吸附量，mg/g；c0为苯酚溶液初始质量浓度，mg/L；c1为吸附平衡后苯酚质量浓度，mg/L；V0为苯酚溶液的体积，L；B为炭的用量，g.

1.4.2 苯酚浓度对KOH活化炭吸附苯酚的影响

分别取在最佳正交试验条件下制备的KOH活化炭0.1 g，加入体积为100 mL，浓度依次为100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L、600 mg/L、800 mg/L的苯酚溶液中，置于恒温振荡仪中振荡180 min，过滤得清液，用紫外分光光度法(波长270 nm处)测定清液中的苯酚含量，根据上述公式(1)计算活化炭对苯酚的吸附量，并与原使用的活性炭(RAC)和热再生炭(TAC)进行比较.

2 结果与讨论

表1 KOH活化再生废炭渣工艺的因素水平表

2.1 KOH活化再生废炭渣的正交试验

化学活化法再生废炭渣的工艺过程中，KOH浓度、炭化时间、炭化温度、浸泡时间等条件对活化炭的吸附性能均有影响，应用正交试验设计方法可以优化活性炭再生工艺过程的工艺参数，并确定各个操作参数的影响程度.KOH活化再生废炭渣工艺的正交试验因素水平表如表1所示.通过一系列实验得到正交直观分析表如表2所示.

从表2可以看出，RD>RB>RA>RC>R空列，说明对活性炭吸附性能影响的因素其主次的顺序为：D(浸泡时间)、B(炭化时间)、A(KOH浓度)、C(炭化温度)，其中因素间的相互作用所起作用较弱(R空列较小)，KOH浸泡时间对活化炭吸附性能的影响要远远大于其他3个因素，活化炭的再生吸附性能起着主导作用.由于在

A因素列：K3>K4>K2>K1

B因素列：K1>K4>K2>K3

表2 正交试验直观分析

C因素列：K4>K3>K1>K2

D因素列：K2>K1>K3>K4

故KOH活化再生废炭渣的最优方案为A3B1C4D2，即KOH活化炭的最佳工艺条件为氢氧化钾溶液浓度90 g/L，炭化时间1 h，炭化温度700 ℃，浸泡时间24 h.

2.2 KOH活化炭对苯酚的吸附性能

2.2.1 不同吸附时间活化炭对苯酚的吸附性能

在相同的搅拌速度和相同苯酚浓度100 mg/L下，热再生炭(TAC)、活化再生炭(AAC)和原活性炭(RAC)在不同吸附时间内对苯酚的吸附效果比较如图1所示.由图1可知，随着吸附时间的增加，3种炭对苯酚的吸附量不断增加，当吸附时间在60 min之前时吸附量随时间的延长增长较快，当吸附时间大于60 min后吸附量随时间延长增长趋势缓慢，当吸附时间达到120 min后吸附量增长更趋缓慢，趋于平衡.TAC对苯酚的平均吸附量远低于RAC和AAC，而AAC对苯酚的吸附性能略优于原活性炭RAC.

图1 不同吸附时间内3种炭对苯酚的吸附曲线图2 不同苯酚浓度下3种炭对苯酚的吸附曲线

2.2.2 不同苯酚浓度下活性炭对苯酚的吸附性能

在相同的搅拌速度和相同的吸附时间(120 min)下，热再生炭(TAC)、活化再生炭(AAC)和原活性炭(RAC)对不同浓度苯酚的吸附效果比较如图2所示.由图2可知，随着苯酚浓度的增加，3种炭的平均吸附量增加趋势明显.当苯酚浓度低于300 mg/L时，3种炭对苯酚的平均吸附量随苯酚浓度的增大而迅速增加，当苯酚浓度大于300 mg/L时，3种炭对苯酚的平均吸附量随苯酚浓度的增大而增长趋缓，当苯酚浓度超过500 mg/L时，平均吸附量增长更趋缓慢，接近平衡.由图可知当苯酚浓度为500 mg/L时，TAC、AAC和RAC对苯酚的平均吸附量分别为64.7 mg/L、105.3 mg/L和95.4 mg/L；当苯酚浓度为1 000 mg/L时，TAC、AAC和RAC对苯酚的平均吸附量分别为67.9 mg/L、113.1 mg/L和101.2 mg/L，可知TAC对苯酚的吸附性能远低于RAC和AAC，AAC对苯酚的吸附性能略优于RAC.

3 结论

(1)用KOH活化再生炭的最优条件为：氢氧化钾溶液浓度为90 g/L，炭化时间为1 h，炭化温度为700 ℃，浸泡时间为24 h.

(2)通过正交试验最优条件得到的KOH活化再生炭对苯酚溶液吸附时间达120 min时，吸附趋于平衡.当苯酚浓度为1 000 mg/L时，热再生炭、KOH活化再生炭和原活性炭对苯酚的平均吸附量分别为67.9 mg/L、113.1 mg/L和101.2 mg/L，KOH活化再生炭对苯酚溶液的吸附略优于原活性炭.

(3)对没食子酸生产中的废活性炭进行活化再生，重新利用，不仅可以减少对环境的污染，而且可以减少资源浪费，起到节能降耗的效果.

参考文献

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[8] 蒋新元，胡 迅，李湘洲，等.不同部位竹材制备竹活性炭及对苯酚吸附性能研究[J].林业科学,2009,45(4):107-111.