木质柱状活性炭电化学再生过程微观结构演变研究

宋 京，秦松岩，赵立新

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384）

活性炭的再生[1]是指通过工艺方法将吸附质从活性炭中解吸出来，使活性炭恢复吸附能力的过程。现有的活性炭再生技术包括热再生法[2]、化学再生法[3]和生物再生法[4]等，但上述方法存在再生效率低下等缺点[5]。电化学再生主要通过电极与活性炭表面电解质的氧化还原反应对饱和活性炭进行脱附，实现再生目的。魏代波等[6-7]研究表明活性炭电化学技术再生的可能性。但这些研究主要是对活性炭再生效率进行客观表征，未对电化学再生机理做详细探讨。

本文选取5种活性炭，研究不同吸附饱和的活性炭的电化学再生效率。同时对再生前后活性炭微观结构变化进行表征，探索活性炭电化学再生机理。微观结构表征手段包括孔径分布测定、FIRT测定等，重点探索再生过程中，活性炭官能团、微观孔径等的演变规律。

1 材料与方法

ZHWY200B恒温振荡培养器（上海智诚分析仪器公司），GC-2010Plus气相色谱仪（日本岛津公司），ChemStar 型全自动催化剂表征仪，傅立叶红外光谱仪（日本岛津公司）。

2，4-二硝基甲苯（A.R，成都艾科达化学试剂有限公司），盐酸（A.R，天津市化学试剂五厂），氯化钠（A.R，天津市化学试剂五厂），木质柱状炭C-1（河南环宇工业有限公司），木质柱状炭C-2（河南环盛炭业有限公司），木质柱状炭C-3（平顶山绿林炭业有限公司），木质柱状炭C-4（安阳新原化工有限公司），木质柱状炭C-5（河南康诺炭业有限公司）。

实验装置主要由直流电源、500mL烧杯、磁力搅拌器、转子和两块3×4mm石墨电极组成，如图1所示。

1.1 模拟废水的选择

2，4-DNT水溶液作为吸附质进行吸附。

图1 电化学装置简图

1.2 饱和活性炭制备

采用循环吸附法进行饱和活性炭制备，饱和吸附量可由式（1）计算。

式中：qe为饱和吸附量，mg/g；C0为2，4-DNT溶液初始浓度，mg/L；Ce为吸附饱和时2，4-DNT的浓度，mg/L；V为溶液体积，mL；m为活性炭质量，g。

1.3 再生效率的评价

再生后的活性炭用去离子水冲洗干净，置于烘箱中于 100 ℃烘干后，重新置于质量浓度为 100mg/L 的2，4-DNT 溶液中进行再生后吸附，按式（2）计算活性炭再生率（α，%）。

式中：q0为新鲜活性炭饱和炭吸附量，mg/g；q1为再生活性炭的饱和吸附，mg/g。

1.4 表征方法

根据HJ592-2010[8]标准测定溶液中2，4-DNT。用扫描电镜测得活性炭SEM图，用 BET方法求得比表面积；使用傅立叶红外光谱仪测定表面官能团的变化。

2 结果与讨论

2.1 活性炭孔结构分析

根据图2的分析可知，电化学再生过程对于活性炭的比表面积及孔结构等都具有一定的恢复效果。C-2活性炭比表面积与孔体积恢复效果较好，比表面积可恢复至634m2/g。再生前后孔径分布可以看出，活性炭孔径分布主要以微孔为主，再生过后的活性炭微孔数量有所恢复。

图2 活性炭再生前后比表面积变化

2.2 红外光谱分析

对各样品红外光谱分析可知，吸附饱和的活性炭在3 680、2 240、1 350、887cm-1峰信号较弱，表面官能团数量较少，对2，4-DNT吸附能力降低。对再生后活性炭红外光谱图进行分析，在1 500～1 600cm-1有多处吸收峰，其中包含归属于芳环中C-H键的弯曲振动，C-O键的伸缩振动和甲基、亚甲基的剪切振动[9]。这是由于电解过程活性炭表面羰基、羧基等含氧官能团增多造成的。其中，C-2型活性炭电化学再生过后红外图谱峰种类较多，表明再生过程中产生丰富的含氧官能团，再生效果较好。

2.3 电化学再生效率

从图3可知，随着电解时间的增加，活性炭再生效率呈增加趋势。其中，C-2活性炭在相同条件下再生效果最好，效率最高可达到92.5%。C-5活性炭再生效率最低，仅为85.2%。这可能是因为不同型号的活性炭比表面积不同，同时还与所含的官能团种类及数量差异有关。

3 结语

1）再生过程中会产生含氧官能团，提高吸附质的解吸能力。同时，比表面积和孔体积也会随着再生过程慢慢恢复，但无法达到原有的水平。

2）再生效率随着再生时间增加而增加，达到一定数值后趋于稳定。C-2再生效率较为优越，最高可达92.5%。

图3 不同类型的活性炭再生效率随时间的变化