微波辐射再生粉末活性炭试验研究

2021-05-29浦燕新韩颖杨虎君王孝友

安徽化工 2021年3期

浦燕新，韩颖，杨虎君，王孝友

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州213125）

目前，活性炭作为一种应用非常广泛的吸附材料，利用其表面的多孔性及其强大的比表面积，使废水中的有机污染物、无机污染物和重金属离子等吸附于其孔隙表面，达到去除废水中有害物质的目的。

但是经吸附饱和后的活性炭失去应用价值，回到环境后造成二次污染及资源浪费，因此活性炭再生成为急需解决的课题。常见的再生方法有加热再生法、化学药品再生法、生物再生法、电化学再生法等。微波是介于红外和无线电波之间的电磁波谱，其频率在0.3～300 GHz，微波加热的原理主要是离子传导机理和偶极子转动机理。微波环保技术是微波处理技术与环境资源回收利用技术的新兴交叉技术，利用微波辐射处理的热效应和非热效应的快速均匀等优点来大幅度提高处理效率，同时大幅度降低能耗，是一种节能增效的清洁技术。

在微波作用下，吸附在活性炭表面的有机污染物克服范德华力吸引开始脱附，随着微波能量的聚集，在致热和非致热效应共同作用下，有机污染物一部分燃烧分解放出二氧化碳，另一部分则炭化。影响微波再生活性炭的因素依次是微波功率（温度）、微波辐照（温度持续）时间和载气线速等。本文摸索微波辐射对活性炭再生碘吸附值和得率的影响，并找出适宜的反应条件；研究了在相同温度和辐射时间的条件下，对比在空气中、持续通氮气及真空条件下微波辐射对活性炭碘吸附值和得率的影响。

1 材料和方法

1.1 实验材料和设备

新活性炭，碘值984.32（mg/g）；废活性炭，碘值634.22（mg/g）。

MKG-M2HB型微波管式炉；鼓风干燥箱；精密天平，梅特勒托利多；JJ-H5振荡器；氮气钢瓶等。

1.2 分析方法

分析方法均采用国家标准方法，其中COD的测定采用快速消解分光光度法，碘值测定采用ASTM D4607-90标准。

1.3 实验原理

在微波炉中，磁控管辐射出的微波在腔内形成微波能量场，并以极高的速度改变正负极性，使活性炭中吸附的极性分子随正负极性改变而高频改变方向，并在相互碰撞、摩擦中产生高热量，使被吸附在孔道中的水和有机物质受热挥发和碳化，活性炭的孔道重新打开，活性炭本身也要吸收微波而升温，烧失一部分炭，使孔径扩大，从而使活性炭恢复到原来的吸附活性。

将活性炭加热至100℃～150℃，含水率40%～50%活性炭中的水分蒸出，同时部分低沸点的有机质挥发，另一部分被炭化，留在活性炭的细孔中。加热至300℃～700℃，低沸点的有机物全部挥发出来，高沸点的有机物出现热分解，一部分成为低沸点有机物挥发脱附，另一部分被炭化后留在活性炭的细孔中。继续加热至700℃～1 000℃，将残留在微孔中的碳化物分解为一氧化碳、二氧化碳和氢等活化气体逸出，达到重新造孔的目的。

1.4 试验方法及步骤

在成本较为经济的情况下，为了得到最优的反应条件，故设计三因素三水平的正交试验表，其中三因素分别为：微波加热温度、微波加热时间和氮气流量。据前期试验数据，微波加热活性炭200℃～500℃，碘值呈上升趋势，500℃与600℃时碘值无明显变化。因素水平表如表1所示。

表1 微波辐射活性炭因素水平表

试验步骤为：

（1）用分析天平称取2 g活性炭，置于微波加热炉专用反应皿中。

（2）微波加热炉启动前通入氮气置换空气，排空后调节氮气流量为微波辐射活性炭试验表中的实验条件。

（3）按照微波辐射活性炭试验表中的实验条件设置加热温度、加热时间与载气流量。

（4）反应时间达到后需继续通入氮气，直到温度降低至150℃以下，取出反应皿并放入干燥器内冷却。

（5）取冷却后的活性炭测量其得率及碘值。

2 实验结果

2.1 正交实验结果

实验过程中，取吸附饱和的活性炭100 g，在鼓风干燥箱中于150℃下干燥4 h，取出后放入干燥皿中冷却至室温，测量其碘值。取干燥后的活性炭2 g，按照微波辐射活性炭试验表中的试验条件进行试验，具体数据见表2及表3所示。

表2 微波辐射活性炭正交实验数据表

分析表3初步可知，当微波温度为300℃，微波再生时间15 min，氮气流量3 L/min时，再生后的活性炭碘值最高，为966.25 mg/g。400℃，10 min，2 L/min时，再生后的活性炭碘值最高，为982.67 mg/g。当微波再生温度为500℃时，再生时间10 min，氮气流量2 L/min时，再生后的活性炭碘值最高，为1 040.86 mg/g。

表3 微波辐射活性炭极差分析表

针对微波再生活性炭碘值数据，分析表3可知：因素A影响最大，因素B和因素C相差不大，对结果影响较小。碘值数据中，A因素中K数值较大，B因素中K数值较大，C因素中K数值较大。以碘值为指标时，ABC的组合为最优组合，即微波加热温度为500℃、加热10 min、载气流量3 L/min。

针对活性炭再生得率数据，分析表3可知：因素B影响最大，其次为因素A，因素C基础最小，对结果影响较小。得率数据中，A因素中K数值较大，B因素中K数值较大，C因素中K数值较大。以得率为指标时，ABC的组合为最优组合，即微波加热温度为300℃、加热5 min、载气流量1 L/min。

综合考虑活性炭再生碘值和得率，以微波加热温度为500℃、加热5 min、载气流量1 L/min为最佳反应试验条件。

2.2 微波充气方式对再生结果的影响

通过正交试验得知微波载氮气再生活性炭试验的最佳反应条件为：微波加热温度为500℃、加热5 min、载气流量1 L/min，针对此条件进行对比试验，数据如表4。

表4 不同填充气体对再生碘值的影响

再生后的得率，载氮气最高为85.7%，载空气得率为55.86%，真空下活性炭粉末容器破损被吸脱，未测出。1活性炭接触空气被氧化，灰分较高。2为真空状态加热，未呈现明显灰分。3、4载氮气，灰分状态较小。

氮气下，700℃与500℃再生后碘值的变化情况相差不大，故最佳反应条件依然为微波加热温度500℃、加热5 min、载气流量1 L/min。

2.3 再生后活性炭吸附能力对比

通过2.2再生活性炭方法对比试验可知，在几种不同条件下再生后活性炭的碘值均能达到理想状态。为了验证碘值高低和活性炭吸附有机物能力大小的对应情况，用再生后的活性炭直接对垃圾渗滤液纳滤浓缩液COD进行吸附，并测量其吸附容量。其中，垃圾渗滤液纳滤浓缩液原水COD为6 990 mg/L，单次实验采用0.2 g活性炭和50 mL渗滤液纳滤浓缩液混合振荡4 h，试验数据如表5。