颗粒活性炭电化学再生研究

王世真

（大连市生态环境事务服务中心，辽宁 大连 116041）

颗粒活性炭被广泛应用于防臭、去除剩余氯、洗涤剂、杀虫剂、颜料、芳香族以及其他杂环有机物的处理上[1]。尽管颗粒活性炭在水处理上的效果较好，但是活性炭在水处理运行中存在使用量大、价格高的问题，其费用往往占运行成本的30%～45%。用过的活性炭不经处理即废弃、掩埋或燃烧，不仅会浪费资源，而且还会造成二次污染。因此，对用过的活性炭进行再生具有显著的经济效益，还可以减少对环境的污染。活性炭再生是指将失去活性的饱和态活性炭经过特殊处理，使其重新具有活性，恢复大部分的吸附能力的过程和方法[2]。

该文采用电化学试验来探讨活性炭的再生机理以及影响饱和活性炭再生效率的因素，从而确定活性炭电化学再生的最佳条件。

1 试验准备

1.1 主要仪器和试剂

该试验的主要仪器和试剂如下：可见分光光度计为T6型；直流稳压稳流电源为LW10J10 型；pH 计为F2；水泵为RS-46BB。

1.2 测定方法

该试验采用的测定方法为苯酚4-氨基安替比林分光光度法[3]（水和废水监测分析方法第四版）。

1.3 试验装置

电化学反应器结构如图1 所示。试验装置主要分为5 个部分，A 部分为电解槽，B 部分为布水器，C 部分为电解槽上部的电极分布法兰，D 部分为电解槽与布水器间的电极分布法兰，E 部分为钛电极。

图1 电化学反应器结构图

试验装置采用上图圆柱形有机玻璃三维电化学反应器，有效尺寸为ø7.0 cm×10 cm。电极的内径为ø0.6 cm 的圆柱形过滤式电极，材质为金属钛，孔径为30 μm～50 μm。电极以正多边形阴阳极交错式排布，电极间填充活性炭。

2 试验过程

2.1 电流强度对再生效率的影响

在电化学反应中，电流强度是非常重要的影响因素之一，因此，在控制流速为20 mL/min、电解质为Na2SO4、浓度为1 g/L、填充物为饱和活性炭且吸附物为苯酚的条件下，改变电流强度，考察电流分别为2 A 和4 A 时对活性炭再生效率的影响。每隔30 min 取样测试，记录数据并计算再生效率。

由图2 可知，电流强度的改变对活性炭的再生效率有较大的影响。增大电解电流可以提高活性炭的再生效率，在电流从2 A 增至4 A、再生时间为3 h 的情况下，再生效率可由原来的45%升至85%。说明增大电流可以使活性炭中的苯酚更好地降解，减少活性炭微孔中的苯酚残留浓度，从而提高活性炭的再生效率。当电流为4 A 时，随着再生时间延长，再生效率逐渐提高，最终再生时间为3 h，效率升至85%。当电流为2 A 时，再生前1 h，再生效率逐渐提高，后续趋于稳定。

图2 电流对再生效率的影响

试验结果表明，电流在提高1 倍的条件下，再生效率并未倍增。由表1 可知，当再生电流为4 A 时，其再生能耗为0.240 kW·h；比电流为2 A 时的再生能耗（0.096 kW·h）高很多，说明再生电流为4 A 时的再生效率高，但是在活性炭再生过程中，部分苯酚以阳极直接氧化方式进行降解，在高电流情况下，增加了副反应的发生概率，例如析氢、析氧反应使电极表面析出气体，形成气模阻碍，降低了接触电极表面的概率，导致电流效率下降，增加能耗。

表1 电解能耗比较

表3 流速2.5 mL/min 活性炭的吸附情况

2.2 流速对活性炭再生效率的影响

在电再生过程中，流速对再生结果也有很大的影响。由图3 可知，在电解质为Na2SO4溶液、浓度为1 g/L 且再生电流为2 A 的条件下，当进水流速为20 mL/min 时，电解3 h 后，新鲜活性炭的再生效率为63.37%，将流速降至2.5 mL/min，电解3 h 后，新鲜活性炭的再生效率可以达到98%。此外，通过多次再生试验，2种进水流速的二次再生效率分别为45.94%和87.55%。同时，在整个再生过程中，随着再生时间延长，活性炭再生效果趋于稳定，与前一试验结果吻合。

图3 不同流速新鲜活性炭的再生效率

在电流和电解时间相同的情况下，降低进水流速可以提高活性炭的再生效率。降低流速，相当于增加水力停留时间，使电解反应在反应器中发生的更充分、更稳定，在反应过程中，产物随着水流排出，说明活性炭上的苯酚的减少非冲洗所致。

2.3 进水方式对再生效率影响

在电解质为Na2SO4溶液、浓度为1 g/L、再生电流为2 A 且电解3 h 的条件下，试验采用不同进水方式考察其对活性炭再生效果的影响。试验采用以下3 种进水方式：1） 间歇式进水。以流速10 mL/min 电解10 min，然后闭合开关30 min，使流速为0 mL/min，40 min为1 个周期，经过计算，该方式水力停留时间约为3.5 h。2） 连续进水。流速控制为20 mL/min，水力停留时间为0.75 h。3） 连续进水。流速为2.5 mL/min，水力停留时间为6.0 h。

如图4 所示，当采用间歇式进水方式时，活性炭的再生效率为60.59%。采用2.5 mL/min恒定流速的连续进水方式，其再生效率达87.55%。间歇式进水方式的再生效果比流速恒定2.5 mL/min 时的再生效果差。通过计算可知，3 种方式的水力停留时间各不相同，采用2.5 mL/min恒定流速的连续进水方式其水力停留时间最长，说明延长水力停留时间可以提高活性炭的再生效率，提高活性炭再生效果需要足够的水力停留时间，以保证电解反应可以充分、稳定地进行。此外，采用连续进出水方式苯酚的降解产物可以及时随水流出，提高降解反应的反向速率。

图4 水力停留时间不同的再生效率

2.4 多次吸附对活性炭再生效率的影响

在实际使用中，活性炭能否重复再生使用至关重要。在电解质为Na2SO4溶液、浓度为1 g/L、再生电流为2 A、进水流速为20 mL/min 且再生时间为3 h 的条件下，以新鲜活性炭吸附苯酚量作为参考，实施多次循环吸附饱和、电再生过程，考察活性炭的电化学再生效率变化情况。

以新鲜活性炭的吸附苯酚量为100%为例（如图5 所示），吸附饱和后的活性炭的第一次再生效率最高，可达60%。第二次活性炭的电化学再生效率明显比第一次低，但是与第二、第三以及第四次相比，没有明显变化；与第一次再生相比，后续再生效率随吸附再生循环次数变化不大，基本处于稳定状态，说明活性炭再生效率与电流、再生时间等试验条件有统计学意义。在试验条件恒定的前提下，活性炭上的苯酚降解数量基本不变。

图5 多次再生活性炭的效率

如果在其他试验条件不变的情况下，控制进水流速为2.5 mL/min，那么与流速为20 mL/min 相比，在降低流速的情况下，整体再生效果明显提高。与新鲜活性炭相比，第二次以后的再生效果依然会下降，但是下降幅度比前一结果小。第二次、第三次以及第四次的再生结果无明显差别。

通过前述试验可以确定电化学方法活性炭再生的最佳再生条件，在电解质为Na2SO4溶液、浓度为1 g/L、电解电流为2 A 且流速为2.5 mL/min 的条件下，再生效率可达80%以上。既可以减少能耗，也可以节省化学药品，经济效益较好。

2.5 吸附介质电解量及冲洗量

在以苯酚为目标物的活性炭电化学再生过程中，苯酚是以化学反应的方式降解还是以物理解吸的方式脱离体系使活性炭恢复吸附容量对整个再生过程非常重要。因此，在多次吸附、再生过程中，考察流出液中苯酚残留量，以解释苯酚的变化过程。

由图6 可知，在活性炭再生过程中，有一部分苯酚未被降解，会随着水流冲洗出来。随着再生次数增加，出水的苯酚浓度也逐渐增加。说明电解时苯酚不能被降解完全，一部分会残留在活性炭的空隙中，多次吸附，残留的苯酚量累积增加，随出水冲出的苯酚量也增加。

图6 流速2.5 mL/min 出水苯酚浓度

在多次循环再生过程中，流出液中苯酚的残留浓度大约为100 mg/L～450 mg/L，其冲出率变化不超过4%，见表2。由表2 可知，在电化学降解苯酚的过程中，虽然有一部分苯酚未能降解，被冲洗出反应器，但是这部分比例很小，超过95%以上的苯酚被电化学氧化的方式降解除去。

3 结语

该试验研究用电化学方法将活性炭再生，利用三维电极降解苯酚考查电解条件对再生效率的影响。试验证明，再生时间、电流强度和流速等条件对再生效率都有影响。通过试验得到以下结论：饱和活性炭的最佳电解条件为电解质为Na2SO4溶液、浓度为1 g/L、恒流电流为2 A、中间出水流速2.5 mL/min 且电解3 h，活性炭的再生效率可以达到80%以上。采用电化学方法再生颗粒活性炭方法具有可行性且再生效率较高，可以为应用于实际生产提供理论依据。