饮用水处理用活性炭废炭的粉磨能耗

杨 彧，王兆凝，解 强

（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）

为了符合逐渐提高的国家饮用水水质标准，我国各地水厂逐步采用以臭氧-生物活性炭技术为核心的饮用水深度处理工艺[1-2]。工艺所用生物活性炭的最佳再生周期在1.5 a以内，每次热再生的质量损失约10%～20%，并伴随吸附性能和机械强度的下降，数次再生后即成为不能使用的废炭[3-6]。据统计，我国每年有10多万t煤质活性炭投放市场进行饮用水净化处理，产生了废炭这类新的固体废弃物。迄今为止，对水处理用活性炭废炭的处理研究仍然空白[7]。

活性炭是具有类石墨结构的炭基材料[8]，废炭耐高温、耐腐蚀。废炭经粉碎等加工后或可作橡胶填充剂，而粉碎过程中的能耗是固废加工利用的首要成本来源[9-14]。迄今为止，虽未有废炭粉磨实验的报道，但对其他固体矿物的粉磨过程已开展了深入的研究。如Ouattara等[12]发现浆料浓度、磨机转速会影响方解石达到某特定粒径时的能耗；姬建刚等[14]则直接建立了不同矿石性质、工艺参数条件下，破碎机和半自磨机处理矿石时所需能耗计算数学模型，并应用工业运行数据对数学模型进行了验证。废炭在组成和结构上都与矿石相差甚远，在矿石粉磨基础上所得的规律与能耗模型能否指导废炭粉磨工艺的选择、粉磨能耗的预测还有待研究。

本文中采制深圳某水厂的活性炭废炭为样品，以行星式球磨机为粉磨设备，研究干、湿法粉磨方式及磨机转速对废炭粉磨产物粒径特性的影响，基于宫胁诸之介推导出的粉碎能耗方程建立不同粉磨条件下的能耗计算模型，并用实验数据对所得能耗模型进行验证。

1 实验

1.1 活性炭废炭样品预处理与筛分粒径分布测定

研究用活性炭废炭采自深圳某饮用水处理厂炭砂滤池。废炭中含石英砂、木屑、浮灰等杂质。利用炭与杂质密度不同，根据重力沉降分离的原理，在实验室自制的活性炭反冲洗试验装置中，用低水流速冲洗排净上层浊液、高水流速冲洗并静置分层实现炭砂分离，分离得到的废炭烘干水分，装入密封袋中备用。

利用标准检验筛根据GB/T 7702.2—1997测定粒径组成，废炭样品的粒径分布如表1所示。

表1 活性炭废炭样品筛分粒径分布Tab.1 Particle size distribution of spent activated carbon sample with dry sieving method

1.2 活性炭废炭粉磨

利用行星式球磨机（德国Fritsch公司，Pulverisette6经典型）进行活性炭废炭粉磨试验。实验中取废炭80 mL，炭介质量比为0.45，磨机充填率为40%，转速为200 r/min，进行干法、湿法（配制成浆料质量比为40%的废炭浆）粉磨实验，提高转速至300 r/min进行干法粉磨实验，研究干、湿法粉磨方式，磨机转速对废炭粉磨能耗及产物粒径的影响。粉磨过程中，能耗采用功率计量仪进行记录，取样间隔为0.010 kW·h。

粉磨产物的粒径特性的表征采用激光粒径分析仪（英国Malvern公司，Mastersizer 3000）。所得粒径分布结果利用最小二乘法依据罗辛-拉姆勒粒径特性方程进行曲线拟合，根据宫胁诸之介推导出的粉磨能耗方程建立能耗计算模型。

图1 活性炭废炭粉磨产物的粒径体积分布和粒径体积累积分布曲线Fig.1 Volume distribution and cumulated volume distribution curves of grinded spent activated carbon products

2 结果与讨论

2.1 活性炭废炭粉磨产物的粒径分布

2.1.1 活性炭废炭粉磨终产物的粒径分布曲线

200 r/min干法粉磨、300 r/min干法粉磨及200 r/min湿法粉磨3组实验达粉磨终点时所得到的最终粉磨产物的粒径体积分布和粒径体积累积分布如图1所示。

结合表1可知，废炭粉磨产物已不存在1 mm以上的大颗粒，粒径分布最广的粒级范围数值明显降低，3组实验粉磨产物的最大粒径值均在100 μm以下。

干法粉磨时，提高转速至300 r/min后所得产物20 μm以下颗粒所占比例更高，可见提高行星式高能球磨机的转速可增加磨球对物料的撞击力与撞击频率。200 r/min湿法条件下所得终产物的粒径体积分布曲线在3组实验曲线中最窄，20 μm以下颗粒比例最高，说明在200～300 r/min转速范围内，采用浆料比为40%的湿法粉磨比提高转速进行干法粉磨效果更佳。

根据上述分析可知，粉磨过程中水改善了废炭的分散性，促进了废炭浆料的流动性，使得粉磨产物粒径更小，粒径分布范围更窄。这与Ouattara等[12]研究的浆料浓度及磨机转速对方解石粉磨过程的影响规律相符合。

2.1.2 活性炭废炭粉磨产物粒径特性方程

将粉磨产物的粒径分析资料，用数学方法将其整理，归纳出足以概括并反映其分布规律的数学表达式，称为粒径特性方程。常用的粒径特性方程有罗辛-拉姆勒于1934年用统计方法研究粉磨产物的粒径特性时导出的数学方程式[15]，

式中：y为小于x粒级（负累积）的产率，%；a为粒径模数；x为粒径；m为分布模数。

式（1）可转化为线性方程lnln（100/（100-y））=m ln x-m ln a的形式。赵三银等[16]发现，当累积筛余质量分数即（100-y）在0～1、97～100之间时，y的微小测量误差便会引起lnln（100/（100-y））的巨大变化，使计算得到的a和m产生较大偏差。剔除上述2个范围内的测试数据后对粉磨产物的负累积粒径分布曲线进行拟合，得到3种实验条件下单位能耗所得产物样品的粒径特性方程的粒径模数a、分布模数m以及误差平方和r，如表2所示。

罗辛-拉姆勒方程中的粒径模数a对应粒群中分布频率最大的粒径值[15]。表2中随粉磨时间的增加粉磨产物的粒径模数a减小，但随时间的线性增加，a的减小幅度变小，说明随粉磨时间的增长粉磨产物的粒径减小速率在逐渐降低。

表2 活性炭废炭粉磨产物粒径分布曲线拟合结果Tab.2 Fitting result of partical size distribution curves of spent activated carbon product in grinding process

m为分布模数，又称均匀性系数，m越小表示粒径分布范围越广，m值与物料的性质有关[15]。表2中，随粉磨时间的增加，废炭粉磨产物的分布模数m呈现增大趋势，表明粉磨产物的粒径分布范围随能耗的累积逐渐变窄，这与每组实验中产物的粒径分布变化情况相符。3组实验条件下最终粉磨产物的粒径分布范围最窄者即200 r/min湿法粉磨的m值反而最小，这是由于m值的大小不仅与物料性质有关，还受粉磨条件的影响。

图2 活性炭废炭粉磨产物的d50值与能耗的关系Fig.2 Relationship between grinding energy consumption and d50 of spent activated carbon product in grinding process

2.2 活性炭废炭粉磨能耗

2.2.1 活性炭废炭粉磨产物的d50值随能耗的变化

200 r/min干法粉磨、300 r/min干法粉磨及200 r/min湿法粉磨3组实验中，废炭粉磨产物的d50值随能耗的变化规律如图2所示。

从图中可以看出，粉磨产物的d50值随能耗的增加而减小最终稳定在某特定值。转速为200 r/min时，湿法粉磨产物的d50值急剧减小，当能耗为0.010 kW·h时趋于稳定，所得最终产物的d50值为9.06 μm；而干法粉磨产物的d50值在能耗达0.040 kW·h之前呈明显下降趋势，此后随能耗的增加，出现反粗现象，图中表现为的d50值的波动，其终产物的d50值为18.70 μm。可知相同转速条件下，湿法粉磨可促进废炭流动，改善废炭分散性，粉磨产物达相同d50值时，湿法粉磨所消耗的能量更低。

干法粉磨条件下，将磨机转速由200 r/min提高至300 r/min，废炭粉磨产物的d50值减小速率变大，保持减小趋势的时间增长，两者终产物的d50值分别为18.70、10.10 μm。提高转速增加了磨球对物料的撞击力与撞击频率，降低了废炭在实验条件下的粉磨极限，消耗相同的能量，300 r/min转速下可获得粒度更小的粉磨产物。

对比3组实验，相同能耗下的200 r/min湿法粉磨产物的d50值始终小于200 r/min干法粉磨及300 r/min干法粉磨产物，表明在200～300 r/min转速范围内，浆料比为40%的湿法粉磨相较提高转速，可以减小产物粒度，可节省单位产物的能耗。

2.2.2 活性炭废炭粉磨能耗模型的建立

根据Charles提出的能耗微分方程，假设粉磨产物的累积粒径特性服从罗辛-拉姆勒方程，宫胁诸之介推导出与罗辛-拉姆勒粒径特性方程相关的粉磨能耗方程[15]，

式中：W为能耗，kW·h；a为粒径模数；B、n为参数。

粉磨能耗分别为0.010、0.030、0.050、0.070、0.090 kW·h时产物的粒径模数随能耗的变化见图3。通过对图中曲线进行拟合，得到3种条件下的参数B、n及误差平方和r见表3。

图3 活性炭废炭粉磨产物粒径模数与能耗的关系Fig.3 Relationship between size modulus and grinding energy consum ption of spent activated carbon product in grinding process

表3 活性炭废炭粉磨产物的能耗方程拟合结果Tab.3 Fitting result of energy consumption models of spent activated carbon product under three experimental conditions

2.2.3 活性炭废炭粉磨能耗模型的验证

以能耗为0.020、0.040、0.060、0.080、0.100 kW·h时所得废炭粉磨产物的粒径模数随能耗的变化规律验证上述所建立的能耗方程，结果见图4。

图4 3种实验条件下活性炭废炭粉磨能耗模型的验证Fig.4 Verification of energy consumption models of spent activated carbon product under three experimental conditions

由图可知，实验结果与模型结果相近，说明废炭粉磨过程中粒径与能耗的关系符合以罗辛-拉姆勒粒径特性方程为基础建立的能耗模型。

3 结论

1）采用行星式球磨机进行转速为200 r/min的干法粉磨时，提高转速至300 r/min或采用浆料比为40%的湿法粉磨均可减小废炭粉磨产物的粒度。且由于水对废炭分散性的促进作用，使湿法粉磨产物的粒径分布范围最窄。

2）实验条件下废炭粉磨产物的d50值随能耗的积累都呈先减小后趋于平缓的变化趋势，减小速率从大到小依次为200 r/min湿法粉磨、300 r/min干法粉磨、200 r/min干法粉磨；相同能耗下，提高转速或采用湿法粉磨所得产物的d50值更小；粉磨产物达相同d50值时，湿法粉磨的节能效果优于干法粉磨。

3）以罗辛-拉姆勒粒径特性方程为基础拟合得到3种实验条件下的能耗模型经实验验证可靠，说明以罗辛-拉姆勒粒径特性方程为基础的宫胁诸之介能耗方程在行星式球磨机粉磨废炭的过程中适用。

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