活性炭微波辐射再生研究

彭乾，徐兴铃，刘思航，袁卫红

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213002）

活性炭是一种具有发达孔隙结构、极大比表面积和极强吸附能力的类似石墨结构的无定型炭[1]。由于其本身特殊的微晶结构和化学结构，活性炭在工业用水处理、城市居民生活污水处理及工业废水处理、生活环境的空气净化、催化剂等很多领域都获得了广泛的应用[2]。

活性炭吸附净化污染物技术非常实用，而且效率很高，但也会产生大量吸附饱和的活性炭，这些废弃的活性炭处理往往需要占用较大面积的垃圾填埋场，或者采用焚烧的方式处理，既造成资源浪费，又可能对环境造成二次污染[3]。从环保和经济的角度出发，活性炭再生技术的研究不仅具有工程利用价值和经济价值，而且对于减少碳排放和环境中的二次污染也有一定的积极意义。

目前活性炭的再生工艺主要有声波再生法[4]、化学再生法[5]、流体再生法[6]、氧化再生法[7]、热再生法[8]、生物再生法[9]。其中热再生法是工业上最成熟的活性炭再生方法，但由于热再生需要外加能源加热，活性炭受热不均匀，局部过热而内部加热不充分，最终导致碘值偏低。微波辐射再生活性炭是指经过微波加热使活性炭上吸附的有机物脱附、炭化、活化，从而恢复其吸附能力的一种方法[10]。微波加热通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不需任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热，同时升温，加热速度快且均匀，在微波作用下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，因此微波辐射再生相较于热再生优势明显。本实验就微波再生活性炭进行了研究，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。

1 实验部分

1.1 材料和设备

活性炭；垃圾渗滤液纳滤浓液。

MKG-M2HB 型微波管式炉；鼓风干燥箱，精宏公司；精密天平，梅特勒托利多公司；玻璃干燥器；JJ-H5振荡器；氮气钢瓶。

1.2 试验方法

1.2.1 活性炭吸附实验

取垃圾渗滤液纳滤浓液作为活性炭吸附水质，取100 g 活性炭加入1 000 mL 纳滤浓液中，200 r/min、25℃振荡，定时取样，采用国标法（GB/T 12496.8-2015）测量样品碘值[11]，若样品碘值不变，则表明活性炭已吸附饱和。

1.2.2 活性炭微波辐射再生实验

1.2.2.1 微波辐射实验步骤

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，取出后放入干燥器中冷却至室温，测量其碘值。用分析天平称取干燥饱和活性炭，置于微波加热炉专用反应皿中。微波加热炉启动前需通入氮气把微波管式炉中空气排出，并调节氮气流量1 L/min[12]，维持炉内真空环境并作为保护气体，设置加热温度、加热时间与载气流量，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，取冷却后的活性炭，测量其得率及碘值。

1.2.2.2 摸索微波适宜条件

设置氮气流量为1 L/min，微波加热时间为10 min，改变微波加热温度（功率），分别设置为300℃、400℃、500℃，测量活性炭碘值，得出最佳微波辐射条件。

1.2.3 活性炭SEM、EDS、BET比表面积检测

委托检测技术（杭州）有限公司对新鲜活性炭、饱和活性炭及再生活性炭进行扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）以及全自动比表面及孔隙度分析仪BET的检测。

2 结果与分析

2.1 活性炭吸附实验

活性炭吸附NF 浓液6 h 后碘值由979 mg/L 降至566 mg/L，且维持不变，表明此时活性炭已吸附饱和（图1）。

图1 活性炭碘值变化

2.2 活性炭微波辐射再生实验

2.2.1 活性炭微波辐射再生最佳实验条件

设置氮气流量1 L/min，微波加热10 min，改变微波加热温度（功率），分别设置300℃、400℃、500℃，测量活性炭碘值，结果如表1所示。

表1 不同微波条件下活性炭再生

实验结果表明：微波10 min，氮气流量1 L/min 不变，400℃为最优，其碘值、恢复率及得率均为最高；其次为300℃；500℃最差。

2.2.2 活性炭一次再生吸附效果

微波10 min，氮气流量1 L/min 不变，400℃处理的再生活性炭COD 仅次于原始活性炭的吸附能力，高于微波300℃，结果如表2。

表2 一次再生活性炭效果对比

2.2.3 活性炭多次再生

活性炭经多次再生后对NF 浓液吸附的COD 数据如表3所示。

表3 活性炭多次再生吸附实验

经过多次再生后，活性炭的碘值及吸附COD 能力变化如表4、图2、图3所示。

表4 再生活性炭碘值及吸附能力变化

图2 再生活性炭碘值变化

图3 活性炭碘值与吸附能力变化

实验结果表明，活性炭经一次再生后的碘值及吸附能力较高，但是后续再生碘值就急剧下降，对应的吸附效果变差。

2.3 活性炭SEM检测

活性炭样品经 SEM 检测结果如图4 所示，其中4-A代表新鲜活性炭，4-B代表再生活性炭，4-C代表饱和活性炭。结果显示，新鲜活性炭孔道通畅，无杂质附着；饱和活性炭孔道被杂质污堵；再生活性炭孔道打开，表面吸附物质明显减少，孔隙得到明显疏通和恢复，再生效果明显。

图4 活性炭扫描电镜图

2.4 活性炭EDS检测

图5 活性炭EDS检测结果

EDS 结果（图5）显示，活性炭吸附纳滤浓缩液饱和以后增加了 Ca、Mg、Na 元素，而 Si、K、S 分别增加了2.51%、0.24%、1.3%，这与纳滤浓缩液里面的成分是密切相关的。经微波辐射再生后活性炭的Ca、Mg、Na、S较饱和活性炭分别降低了28.6%、25%、100%、76.1%。

2.5 活性炭BET检测

新鲜活性炭比表面积为464.44 m2/g，经微波再生后活性炭比表面积为415.65 m2/g，恢复至新鲜活性炭比表面积的89.5%，此结果也与再生活性炭的碘值恢复呈正相关。

3 结论

本实验得出活性炭最佳微波辐射再生的条件为温度400℃，时间10 min，加载氮气1 L/min。一次微波再生后活性炭碘值为860 mg/L，恢复至新鲜活性炭碘值的87.9%，吸附COD 效果恢复79.2%，比表面积恢复89.5%，Ca、Mg、Na、S 元素含量较饱和活性炭分别降低28.6%、25%、100%、76.1%。SEM图谱也表明，再生活性炭孔道打开，表面杂质明显减少，孔结构增多，表明微波再生活性炭有效，与上述结论一致。因此，从经济和工程方面考虑，可以使用微波再生的活性炭。