活性炭再生技术在环境保护中的应用研究

2021-01-17金健中新苏伊士环保技术苏州有限公司

环球市场 2021年33期

金健中新苏伊士环保技术（苏州）有限公司

虽然活性炭再生技术越来越多，但许多技术仍在试验中。现阶段还不能应用于大规模生产。同时，考察了活性炭再生技术的发展趋势，建议采用两种或多种技术相结合的方式，在生法的基础上进行改造，将大大提高活性炭的活化率，实现再生。随着活性炭再生技术的深入研究，活性炭再生将实现产业化，向环保方向发展。

一、活性炭概述

活性炭具有松散和多孔的特殊结构，并且活性炭的吸附能力较强。在环境中能吸附许多难降解的物质，是环境保护和深度处理的首选。活性炭制造过程中采用的物理方法传统，无须大型设备即可完成。活性炭生产要讲究顺序，主要采用粉碎、筛分、干燥、活化、清洗、干燥等流程。其中，干燥工序是活性炭生产中重要的一个环节，这一步不能因追求速度而跳过，否则会影响活性炭的吸附能力。活性炭在去除杂质方面有着多种应用，对于活性炭再生技术旨在可以将饱和活性炭进一步还原为不饱和活性炭，使活性炭重新吸收一些杂质。其原理是在用活性炭吸附中，当活性炭吸附了某些杂质物质时，活性炭内部结构因杂质而堵塞。为了继续储存和吸附其他杂质，需要综合应用几种方法来去除活性炭杂质。杂质被去除后，使活性炭吸收污垢的能力得到恢复。再生法技术可不断更换活性炭，活性炭达到饱和即失去吸附功能。工业、农业或环保工作需要大量活性炭，如果活性炭只能使用一次，会消耗很多，并且与我国倡导的可持续发展严重不符。因此，在环境保护中，为了平衡活性炭避免相关成本的浪费，要进一步加大对活性炭再生研究，这在未来具有非常重要的意义。活性炭再生技术在实际工作中会遇到很多问题，比如吸附物质的多样性。需要根据活性炭杂质，针对性地选择脱附活性炭中杂质的技术。再生技术尚在发展中，对于活性炭中杂质的去除有限。为了保证活性炭可以有效的去除杂质并取得良好的应用效果，需要不断发展再生技术，解决吸附杂质的问题。对于微生物再生和试剂氧化再生是较新的技术。每种方法都有优点和缺点，在解吸方面效果很好。必须按照工作要求，了解再生技术，掌握各项技术的应用优缺点，根据需要选择除杂技术，同时考虑经济影响。

二、传统活性炭再生的不足

传统的活性炭再有热再生、生物再生和湿式氧化法。对于这些方法是应用最广泛的再生。特别是经过有机废水处理后，活性炭是再生中使用最多的。热再生法具有再生效率高和适用范围广的特点，再生过程中须增加热能，这会增加再生技术运行成本。生物再生方法的应用是利用细菌减少在活性炭上的有机物，将其消化成 H2O 和 CO2。活性炭孔径很小，有的孔径甚至只有几纳米，对于一些微生物根本无法进入。一般认为细胞在再生中发生自溶，活性炭对酶有吸附作用，因此在表面形成酶中心，可进一步促进污染物的分解。因此，对于生物法简单易行，成本低，但需要一定的时间。污染物的微生物需要对某些物质进行驯化。在降解中，有机物通常不能分解成CO2和H2O。中间体保留并积聚在微孔中，循环后再生会下降。因此，生物再生应用是有限的。在高温高压下，以氧气或空气为所使用的氧化剂，将在活性炭上的有机物分解成小分子，湿式氧化再生法处理多样，并且再生稳定，再生后无须额外加热，对难降解的有机材料，会产生有毒的中间体。

三、活性炭再生技术的环保应用

（一）湿式氧化再生法

湿式氧化法主要是将温度和压力定在一定范围内，以氧气为氧化剂，利用催化剂作用加速残留吸附的有机物与氧化剂反应。湿法氧化活性炭再生技术改进后，当温度和压力较高时，这个过程可以对硝基苯酚的再生率达87%。对于再生时间、温度或升温速率对湿空气用活性炭氧化影响的结果表明，与其他再生氧化技术相比，湿式催化氧化具有速度快和再生处理中环境污染少的应用优势，并且应用范围广和处理效率高，产生的余热可进行进一步的回收。在湿式催化氧化再生法中，催化剂是独特的影响因素，包括过渡金属、贵金属和催化剂。这些催化剂通常使用价格较高，因此，在再生技术的应用中需要开发廉价稳定的催化剂是湿法氧化技术的关键，并且催化剂的选择取决于净化过程中的吸附剂。

（二）超声波再生法

超声波再生法技术应用需要依靠声音的频率产生含空化气泡，空化气泡被分成具有一定能量的小气泡，产生的冲击力使碳活化，使表面材料脱落。利用微波和超声波技术对含铬饱和活性炭进行耦合再生。耦合技术的再生效率明显高于单独超声。分析影响实验的因素，如超声功率、温度和时间等，如果超声功率过大，产生的波会损坏活性炭，并且会降低再生效率。

（三）微波辐射再生

微波是介于红外线和无线电波的电磁波谱。活性炭微波辐射再生是在高温下对有机物进行解吸和活化，然后恢复其吸附的新兴方法。微波加热不同于传统的加热，它具有加热迅速和均匀的优势，以及能量就地应用的优点，大大提高加工效率，并且降低了加工能耗。通过活性炭的再生效果与微波照射功率，以及活性炭吸附能力的关系。比较真空加热再生、真空微波加热再生不同工艺下活性炭吸附脱附实验，以吸附容量和再生速率对再生方式进行分析。得出此过程中活性炭的内部结构被破坏，但真空微波再生后净吸附能力可以达到最高，优于真空再生和加热再生后。采用微波辅助溶剂和苯胺吸附剂比较再生活性炭的吸附性能。对于微波功率和辐照时间是影响活性炭再生的主要因素。采用主动吸附微波再生技术，进行循环双金属降解后的废水进行处理。可以发现TOC清除率得到了明显的提高，并且此过程最终的清除率高达80%以上。生物毒性降低，可以满足安全排放标准。

（四）臭氧氧化再生

臭氧氧化再生技术的应用主要是以臭氧为基础氧化剂，分解残留活性炭中的有机物。并且该技术可以针对臭氧氧化的不足，对相关技术进行了耦合，以去除水体中的污染物。结果表明再生液不仅能有效氧化脱附吸附在的染料，还能有效恢复多孔通道和吸附能力，同时可将解吸的污染物完全矿化成CO2和H2O，避免环境污染。经过连续5 个吸附和再生周期，PAC 的再生效率仍高达76%。说明了再生时间越长，臭氧氧化的再生效果越好。但由于时间过长，活性炭表面的官能团被破坏，吸附性能会下降。

（五）溶剂再生法

溶剂再生法的再生技术工作原理是打破活性炭和溶质的平衡，这种方法通过溶剂的pH 值、温度和湿度来平衡，从而使吸附质去除。根据相关运用溶剂的不同，可分为无机溶剂和有机溶剂，通过溶剂吸附物质的作用来改变吸附特性的特性。使用溶剂回收也会产生污染较小的废液。对于活性炭再生技术，采用生物再生法，生物再生法技术悠久，已广泛应用于许多领域。细菌分解吸附质并将其转化为水和二氧化碳，因此活性炭可以重复使用。活性炭的微孔结构很小，可以说甚至小到几纳米，因此，在再生中，一些特定的细胞会发生融合的状态，对于相关的微生物的细胞酶会形成一个表面。这使吸附物分解，达到再生的目的。pH 值不仅会增加解吸，还会影响活性炭的吸附能力。大多数电化学再生方法依靠局部pH 值的变化来促进活性炭对污染物的吸收。pH 值对饱和酚粉中活性炭再生的影响，碱性条件下活性炭的再生明显高于酸性条件下，再生效率最高。另外，电化学再生pH 值必须考虑二次污染和加入pH 调节剂导致资源成本增加的问题[1]。

（六）电化学法和紫外光法

电化学再生的方法有搅拌反应器和电化学反应器。电化学在加工中产生电极。在外电场下，活性炭会发生一定的极化反应，形进而成电解槽装置。吸附的物质会发生化学反应。这种方法可以很快达到较高复用效率。这种方法在选择电解液时有一定的要求。对于电解液的选择需要根据酸性或碱性溶液进行，对废物也需要进行丢弃处理。在紫外线再生法中，紫外线照射到有机物上，将物质转化为二氧化碳和水等物质，紫外线照射可以加强热效应，使这种方法应用具有明显的优势[2]。

（七）活性炭再生产生的废气处理

再生法和微波紫外线再生法产生的气体是废气，热再生法废气的主要成分是被吸附的元素，这些元素会转化为氮和硫的氧化物和氯化氢等，这些气体需要经过演化处理才能排放，而废气的主要成分是酸性气体，所以废气进入喷淋净化塔，通过稀碱溶液循环喷淋净化。微波紫外辐射再生气主要含有未反应的吸附剂和完全反应的酸性气体，通过缓冲罐和分离罐从尾气中吸附分离，而未反应的吸附物需要继续反应。使用一些溶液喷雾净化，废气处理的各个方面都必须做到严格的检查，以确保有效的环境管理[3]。

（八）固废污染与环境治理

生物再生法和湿式氧化再生法会产生固体废物，对于其他活性炭再生方法或多或少会产生一些固体废物。处理固体废物污染的方式主要有安全焚烧、填埋、土壤处理和海洋处理。对陆地和海洋进行处理会浪费资源，严重影响环境。最推荐的固体废物处理是安全焚烧和填埋。安全焚烧技术要求高，并且相关的投入成本较高，目前尚未得到全面的普及。垃圾填埋场虽然成本低，对于工艺路线简单，但是专业化程度更高。固体废物输送机排放均由控制人员控制。卸料门控制采用手动和电子进行，也就是说现场控制和远程控制。从卸货区进入仓库的废物必须进行分析，以验证是否符合填埋场的要求[4]。

（九）超临界流体再生法

当温度和压力大于其临界值时，该过程也可以称为超临界流体。许多特定的物质会在常压和常温下对溶解度非常低，但在亚临界或超临界具有非常高的容量。因此，在超临界状态下，对于相关压力的微小变化都会导致溶解度发生变化。利用这一性质，可以以超临界液体为萃取剂，调节压力使唤溶质分离，即超临界液体萃取。CO2的临界温度为 31°C，接近临界温度和压力（7.2 MPa）。应用具有无毒、不易燃和对环境无污染等应用优势，并且具有易获得超临界状态的优点，是超临界流体技术应用的首选。根据相关的研究数据，在CO2临界点附近，再生效率变化很大。在活性炭没有干燥的情况下，需要延长活性炭再生时间。低压下随着温度的降低再生也会同时发生降低；16.0MPa 下最佳温度为318K。在实验流速下，再生会随着流速的增加而进一步发生增加[5]。