（环境工程专业论文）活性炭吸附苯酚及其微波辐照再生效果研究.pdf

摘要 活性炭具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，对分子具有极强的吸附 能力，是一种优良的吸附剂。目前，活性炭吸附法已成为城市污水、工业废水深 度处理和污染水源净化的一种有效手段。但如果废活性炭无法回收，除了每吨废 水的处理费用将会增加0 8 一o 9 元外，还会对环境造成二次污染。因此，活性炭 的再生具有格外重要的意义。 微波辐照再生技术是在热再生法的基础上发展起来的一种新兴的活性炭再 生技术。它具有加热速度快，再生时间短，能耗低，可选择性加热和炭损失量小 等特点。近年来利用微波辐照再生吸附苯酚活性炭的研究很多，但对微波辐照再 生前，同时考察活性炭吸附苯酚的吸附行为研究很少见报道。本研究考察颗粒活 性炭对苯酚的吸附行为。同时以吸附饱和苯酚活性炭为处理对象，以微波辐照为 再生手段考察微波再生对活性炭吸附性能的影响和微波辐照再生效果，评价微波 干法再生和湿法再生工艺的优劣，确定最佳的再生条件。 活性炭对苯酚的吸附行为研究表明：活性炭吸附苯酚最佳的p h 值范围是1 9 ：在2 5 下，经过3 h 后活性炭吸附苯酚基本达到平衡；活性炭吸附苯酚符合 f r e u l l d l i c h 等温吸附模型，最大平衡吸附量为1 4 3 7 m g 。 微波场中活性炭质量损耗率研究表明：微波功率、活性炭量和再生时间对活 性炭损耗均有影响，且各影响因素与活性炭质量损耗率呈正相关。 微波辐照干法再生和湿法再生研究结果表明：( 1 ) 在干法再生实验中，最佳 的再生条件为：微波功率5 2 0 w ，再生时问1 5 m i n s ，活性炭量6 o g ，此时活性炭 最佳的再生效率为8 6 5 ；在最佳的再生实验条件下，再生次数对活性炭的吸附 能力影响很大，经过5 次再生后，活性炭的吸附能力已经很低，不适合进行再次 吸附。( 2 ) 加入1 n a 0 h 再生辅助溶液进行湿法再生。最佳的再生条件为：微 波功率5 2 0 w ，再生时间1 5 m i n s ，1 n a o h 再生辅助溶液用量1 0 m l ，此时活性 炭最佳的再生效率为9 5 6 。在最佳的再生实验条件下，经过8 次再生后，活性 炭的吸附能力依然很高。 关键词：活性炭微波再生吸附 a b s t r a c t a c t i v a t e dc a r b o ni sa ne x c e l l e n ta d s o r b e n tw h i c hh a sd e v e l o p e d p o r es 包m c t u r e ， h u g es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n de x t r e m e l ys t r o n ga d s o r p t i o nc a p a c i t y c w 吼t l ya c a d s o r p t i o nm e t h o dh a sb e c o m ea l le 航砥v em e a n so fm u n i c i p a la n di n d u s t r i a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dp o l l u t e ds o u r c ep u r i f i c a t i o n b u t ，i fu s e da cc o u l dn o tb e r e c y c l e d ，i tw o u l dn o to n l yi n c r e a s ed i s p o s a lc o s t0 8 - 0 9y u a np e rt o nw a s t e w a t e r , a l s oc a u s es e c o n d a r y p o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t s oi ti s v e r yi m p o r t a n tf o r r e g e n e r a t i n ga c m i c r o w a v er a d i a t i o nr e g e n e r a t i o nt e c h n i q u ei sd e v e l o p i n go nt h eb a s eo f t h e r m a l r e g e n e r a t i o na san e w l ya r i s e na cr e g e n e r a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fq u i c kh e a t i n g ，s h o r t r e g e n e r a t i o nt i m e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，o p t i o n a l h e a t i n ga n dl o wc a r b o nl o s sq u a n t i t ya n ds oo n t h e r ea r em a n ys t u d i e so na c r e g e n e r a t i o nb ym i c r o w a v er a d i a t i o n ，b u tt h es t u d yi sv e r yr a r ea b o u tt h ea d s o r p t i o n b e h a v i o r so fp h e n o lo na c a st h e o b j e c to fa d s o r p t i o ns a t u r a t e da ca n dt h e r e g e n e r a t i o nm e t h o db ym i c r o w a v er a d i a t i o n ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h ea d s o r p t i o n b e h a v i o r so fp h e n o lo na ca n dt h ei n f l u e n c eo fm i c r o w a v er a d i a t i o nt oa c a d s o r p t i o n c a p a c i t ya n dr e g e n e r a t i o ne f f e c tb ym i c r o w a v er a d i a t i o n ，e v a l u a t i n gt h ep r o g r e s so f d r yg e n e r a t i o na n dw e tg e n e r a t i o nb ym i c r o w a v er a d i a t i o n ，c o n f o r m i n go p t i m u m r e g e n e r a t i o nc o n d i t i o n s i n v e s t i g a t i n gt h ea d s o r p t i o nb e h a v i o r so fp h e n o lo na c ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o p t i m u mp hr a n g eo fa ca d s o r b i n gp h e n o li s1 9 a cp r o x i m a t e l yr e a c ha d s o r p t i o n e q u i l i b r i u ma f t e rt h r e eh o u r sa t2 5 ca n di ta c c o r d sw i t hf r e u n d l i c hi s o t h e r m a l a d s o r p t i o nm o d e la n dt h em a x i m u me q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yi s14 3 7m e , g r e s e a r c h i n ga cq u a n t i t yl o s sr a t ei nm i c r o w a v ef i e l d s ，t h er e s u l t ss h o wt h a ta c q u a n t i t yl o s si si n f l u e n c e db ym i c r o w a v ep o w e r , r e g e n e r a t i o nt i m ea n da cq u a n t i t y , a n de a c hf a c t o re x h i b i t sap o s i t i v ec o r r e l a t i o n s t u d y i n gd r yr e g e n e r a t i o na n dw e tr e g e n e r a t i o nb ym i c r o w a v er a d i a t i o n ，t h e r e s u l t ss h o wt h a ti n d r yg e n e r a t i o nt h eo p t i m u mr e g e n e r a t i o nc o n d i t i o n sa r e i i m i c r o w a v ep o w e r5 2 0 w , r e g e n e r a t i o nt i m e15 m i n sa n da c q u a n t i t y6 0 9 ，a tt h i st i m e t h eo p t i m u mr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yi s8 6 5p e r c e n t ，a n da ca d s o r p t i o nc a p a c i t yi s g r e a t l yi n f l u e n c e db yg e n e r a t i o nt i m e sa n di sv e r yl o wt h r o u g hf i v et i m e sr e g e n e r a t i n g l o s i n gr e - a d s o r p t i o na b i l i t y ；i nw e tr e g e n e r a t i o nw i t h1p e r c e n tn a o ha s s i s t e d r e g e n e r a t i o ns o l u t i o n ，t h eo p t i m u mr e g e n e r a t i o nc o n d i t i o n si sm i c r o w a v ep o w e r5 2 0 w , r e g e n e r a t i o nt i m e1 5 m i n sa n d1p e r c e n tn a o ha s s i s t e dr e g e n e r a t i o ns o l u t i o nq u a n t i t y lo m l ，a tt h i st i m et h eo p t i m u mr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yi s9 5 6p e r c e n ta n da c a d s o r p t i o nc a p a c i t yi ss t i l lh i g ht h r o u g he i g h tt i m e sr e g e n e r a t i n g k e y w o r d s a c t i v a t e dc a r b o n ；m i c r o w a v e ；r e g e n e r a t i o ma d s o r p t i o n i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论i 1 1 引言1 1 2 活性炭的特性及在水处理中的应用2 1 2 1 活性炭的表面特性2 1 2 2 活性炭水处理的特点3 1 2 3 实际应用4 1 3 活性炭再生技术概述4 1 3 1 热再生法5 1 3 2 生物再生法5 1 3 3 湿式氧化和催化湿式氧化再生法6 1 3 4 溶剂再生法6 1 3 5 电化学再生法7 1 3 6 超临界流体萃取再生法一7 1 3 7 超声波再生法8 1 4 本论文活性炭再生方法的选择及其研究现状8 1 4 1 活性炭再生方法的选择一8 1 4 2 活性炭微波辐照再生方法的研究现状一9 1 5 本论文研究的目的、意思及主要内容1 0 一 1 6 本章小结1 2 第二章实验基础一1 3 2 1 实验理论基础一13 2 1 1 吸附理论及其发展1 3 2 1 2 微波加热理论一1 9 一 2 1 3 活性炭吸收微波机理2 2 2 1 4 微波辐照再生活性炭机理2 2 2 2 实验设计与研究方法2 3 2 2 1 活性炭的选择与预处理2 3 2 2 2 主要试剂和材料2 4 2 2 3 主要试验仪器2 5 2 2 4 试验装置及分析方法2 5 2 2 5 实验相关操作说明2 9 2 3 本章小结3 0 第三章活性炭吸附苯酚的吸附行为研究3 1 3 1 苯酚的紫外可见标准曲线3 l - 3 2 p h 值对活性炭吸附苯酚吸附性能的影响3 1 3 3 活性炭吸附苯酚动力学3 2 3 4 活性炭吸附等温线3 3 3 5 本章小结3 6 第四章微波场中活性炭质量损耗率的研究3 7 4 1 活性炭质量损耗率的单因素实验及结果分析3 7 4 1 1 微波功率对活性炭质量损耗率的影响3 7 4 1 2 再生时间对活性炭质量损耗率的影响3 8 4 1 3 活性炭量对活性炭质量损耗率的影响3 9 4 2 本章小结4 0 第五章吸附苯酚活性炭微波辐照再生效率的研究4 1 5 1 活性炭再生效果评价方法的选择4 1 - 5 2 干法再生中活性炭再生效率的影响因素研究4 l - 5 2 1 微波功率对活性炭再生效率的影响4 2 5 2 2 再生时间对活性炭再生效率的影响4 3 5 2 3 活性炭量对活性炭再生效率的影响一4 4 5 2 4 再生次数对活性炭再生效率的影响4 5 5 2 5 干法再生实验小结及下一步实验计划4 6 5 3 湿法再生中活性炭再生效率的影响因素研究4 7 5 3 1 再生时间对活性炭再生效率的影响4 8 5 3 2 微波功率对活性炭再生效率的影响4 9 5 3 3 再生辅助溶液用量对活性炭再生效率的影响5 0 5 3 4 再生次数对活性炭再生效率的影响5 1 5 4 微波辐照再生技术的优越性5 2 5 5 本章小结5 3 第六章结论与建议5 4 6 1 结论5 4 6 2 建议5 5 成果5 6 致谢5 7 参考文献5 8 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 活性炭作为一种优良的吸附剂，由于它具有发达的孔隙结构，巨大的比表面 积，广谱的吸附作用，优良的吸附性能以及可再生等特点而被广泛的应用于工业 生产和污染水体处理等众多领域。 由于活性炭能有效地去除污水中大部分有机物和某些无机物，因此，2 0 世纪 6 0 年代初，欧美各国开始大量使用活性炭吸附法处理城市饮用水和工业废水。7 0 年代初，采用粒状活性炭处理工业废水，不论是在技术上还是在应用范围和处理 规模上都发展很快，如在印染废水、化工废水、造纸废水、电镀废水、炼油废水 和炸药废水处理等方面都有了较大规模的应用，并取得了满意的效果。目前，活 性炭吸附法已成为城市污水、工业废水深度处理和污染水源净化的一种有效手 段。 活性炭在应用初期主要是粉炭在糖液精制中逐步代替了原来的骨炭。在2 0 世纪2 0 年代的第一次世界大战中出现的颗粒炭，大量应用于防毒面具，这是工 业化学史辉煌的一页；2 0 世纪4 0 年代以来活性炭在净水处理方面的应用得到 巨大发展，成为活性炭应用历史的第二阶段的标志；2 0 世纪的后半叶，活性炭 在环境保护中起了巨大作用。由此活性炭应用历史进入了第三阶段，即发展阶 段t l - 2 1 。 我国活性炭的应用历史可简单分为三个阶段： ( 1 ) 第一阶段是2 0 世纪4 0 年代以前，我国制药工业、化学工业中使用活 性炭量不大，都用进口货。 ( 2 ) 第二阶段自2 0 世纪5 0 年代初开始，国产活性炭上市。生产能力从1 9 5 1 年的三、五十吨猛增到2 0 世纪8 0 年代的近十万吨，且活性炭的应用范围迅速 拓展，多种专用活性炭得到了发展，例如净水炭、糖炭、柠檬酸炭、味精炭、 油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等，足见活性炭在我国覆 盖面及应用面广。 ( 3 ) 第三阶段是2 0 世纪8 0 年代以后，随着改革开放，活性炭因国内经济 1 第一章绪论 蒸蒸日上而应用量递增，又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。我国活性 炭的应用，不仅在国内市场发展，而且进入了国际市场1 3 1 。 我国的活性炭工业经过半个世纪的发展，尤其是改革开放2 0 多年来取得了 令人瞩目的成就，但是与发达国家相比，我国的活性炭工业仍然存在很大差距， 主要表现在：活性炭品种不丰富、企业规模小、生产装备落后、劳动生产率低、 森林资源浪费、环境污染严重、科学技术基础薄弱和科技对生产力发展贡献不 大1 4 1 。 然而，随着活性炭的应用范围日趋广泛，大量的废活性炭如果直接废弃势 必会造成巨大浪费和二次污染，因此活性炭的回收开始得到了人们的重视。如 果用过的活性炭无法回收，除了每吨废水的处理费用将会增加o 8 0 9 元外，还 会对环境造成二次污染1 5 1 。因此，活性炭的再生具有格外重要的意义。 1 2 活性炭的特性及在水处理中的应用 1 2 1 活性炭的表面特性 活性炭作为一种吸附催化材料，己在化工、石油、轻工、食品、环境保护、 国防等诸多领域得到广泛应用1 6 - 7 1 它的性能是由其孔隙结构和表面化学性质 两方面决定的。大部分关于活性炭气相吸附的研究表明，活性炭的孔形态( 表面 积和孔径分布) 是主要的影响因素，而对活性炭的液相吸附或活性炭作为催化剂 载体，炭表面的化学特性对吸附性能产生显著影响1 8 - 1 0 1 。 1 2 1 1 活性炭的孔隙结构 活性炭的孔隙结构是指孔隙容积、孔径分布、表面积和孔的形状。活性炭 的孔径分布范围很宽，孔的形状也多种多样。通常把半径小于2 n m 的孔叫微孔， 2 r 2 0 0 n m 的孔叫大孔1 1 1 1 。 不同孔径的孔在吸附催化过程中发挥的作用有所不同1 1 2 1 。大孔的内表面积 可以发生多层吸附，但它在比表面积中所占比例很小。大孔容积一般 o 2 0 8 m l g ，比表面积o 5 2 o m 2 g ，大孔在活性炭中常常成为吸附质分子的通 道。中孔既是吸附质分子的通道，支配着吸附过渡，又在一定相对压力下发生 毛细管凝结，它对大分子的吸附有着重要的作用，中孔容积一般为 硕士学位论文 0 0 2 0 1 0 m l g ，比表面积2 0 7 0 m e g 。微孔是吸附作用最大的，它对活性炭吸附 量起着支配作用，微孔容积一般0 2 0 6 m l g ，比表面积几百至几千m 2 gn ”。活 性炭理想的孔隙结构应当是树枝形的，即主干是大孔，支是中孔，终端末梢才 是微孔。 在吸附( 分离) 操作中，吸附剂的孔径与吸附质分子或离子的几何大小有一 个匹配问题t 1 4 l 。只有吸附质分子或离子能进入和充填的孔隙才是有效孔隙，根 据资料报道：对吸附剂利用率最高的孔径和吸附质分子直径的比值为1 7 3 ，对 需要重复再生的吸附剂这一比值为3 - 6 或更高。 1 2 1 2 活性炭的表面化学性质 活性炭的吸附和催化特性不仅决定于它的孔隙结构，同时也决定于它的化 学性质。化学性质的不同对活性炭的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性 等产生影响1 1 5 - 1 7 1 。因此，活性炭的表面化学性质的研究受到人们的高度重视。 活性炭表面含有多种官能团：酸性官能团、中性官能团和碱性官能团 1 8 1 。活性 炭表面所含的氧，大多以氧官能团的形式存在，这也是活性炭最主要的活性基 团，可分为1 ) 强酸基，2 ) 弱酸基，3 ) 酚羟基，4 ) 羰基等四组1 1 9 1 。 表面氧化物赋予活性炭弱极性，增强或扩大了活性炭的催化性能，改变了 炭对有机物、无机物的吸附选择性。如：苯酚在活性炭上的吸附量随活性炭上 的酚羟基数量的增加而减少，苯甲酸的吸附量则与活性炭表面上的酸性基团总 量有关k 1 2 l 。炭的表面不仅可以和氧结合，还可以和其它元素如s 、h 、c l 等结 合，以含硫、氢、氯的官能团存在。b o e h m 滴定能够给出活性炭表面含氧官能 团数量及分布情况1 2 0 1 。活性炭中的氧，除了上述酸性基团外，还发现有内酯、 醚、过氧化物、羧酸酐等。 1 2 2 活性炭水处理的特点 活性炭是极性的多孔吸附剂，它的作用机理主要为物理吸附和部分生物降 解。吸附作用主要在极大的内表面上进行，它可以从水中吸附大部分的有机物 质。活性炭用于水处理具有如下特点t 2 1 - 2 2 1 ： ( 1 ) 活性炭对水中有机物有卓越的吸附特性，由于其发达的细孔结构及巨大的比 表面积，能够有效的去除水中的溶解性有机污染物，还对生物法及其它化学方 第一章绪论 法难以去除的有机组分如色度、臭味以及丹宁酸、木质素、乙醚、苯酚、蛋白 质、亚甲基蓝活性物质、界面活性剂( 阳离子和非离子型) 、微量油脂、除草剂、 杀虫剂和杀菌剂等农药及许多人工合成的有机物有良好的去除效果。 ( 2 ) 活性炭用于水处理时，对水质、水温及水量的变化有较强的适应能力， ( 3 ) 再生后可重复使用，且具有装置占地面积小，易于控制，操作简便等特点。 1 2 3 实际应用 ( 1 ) 污染水源的净化：利用活性炭吸附水中有机物、病毒、颜色，除味和除臭等。 由于活性炭深度净化法能有效地改善水质，国内外的地面给水厂大都采用此法。 ( 2 ) 城市污水及有机工业废水的处理：由于活性炭对水中的c o d 、b o d 等有机 物具有突出的去除能力，对一些酚类，氰化物等难以被生物降解的有机物更有 独特的去除效果而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦化废水处 理及其它有机废水处理中。 ( 3 ) 重金属废水的处理：某些吸附活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的 选择吸附能力。如颗粒状活性炭对于a 矿、p d 2 + 、c d 2 + 、c r 0 4 等离子的吸附去 除率可达到8 5 以上。对其它金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等 均具有良好的吸附能力。 ( 4 ) 与其他水处理技术联合应用：与臭氧氧化，生物处理等方法联合处理废水具 有很好的效果。 1 3 活性炭再生技术概述 活性炭的再生就是用物理或化学方法在不破坏其原有结构的前提下，将吸附 于活性炭微孔的吸附质予以去除，使其吸附性能恢复，以便重复使用的过程 2 3 1 。 由于活性炭的用途不同，以及在环境治理工程中不同处理对象的吸附方法、吸附 物质和吸附量的差异，再生时采用的方法也各不相同。国内外学者基于对活性炭 的再生进行的大量研究和实践，提出了各种活性炭再生工艺技术，如热再生法、 生物再生法、湿式氧化和催化湿式氧化再生法、溶剂再生法、电化学再生法、超 临界流体再生法等。这些方法各有其特点和使用范围，各种再生方法的特点和机 理的介绍如下： 硕士学位论文 1 3 1 热再生法 热再生法是利用外部加热的方法使温度升高，改变活性炭上的吸附平衡关 系，使吸附物脱附和分解，达到恢复活性炭吸附性能的目的。对处理有机废水后 的活性炭进行再生的过程中，根据加热到不同温度时有机物的变化，一般分为干 燥、高温炭化及活化三个阶段。干燥阶段主要是去除活性炭上的可挥发性成分。 高温炭化阶段是使活性炭上吸附的一部分有机物沸腾、汽化脱附，一部分有机物 发生分解反应脱附出来，残余成分留在活性炭孔隙内成为“固定炭”。这一阶段， 温度将达n 8 0 0 9 0 0 ，为避免活性炭的氧化，一般在抽真空或惰性气氛下进行。 接下来的活化阶段中，往反应釜内通入c 0 2 、h 2 或水蒸气等气体，以清理活性炭 微孔，使其恢复吸附性能，活化阶段是整个再生工艺的关键。 热再生法是目前工艺上最成熟，工业上应用最多的活性炭再生方法1 2 4 - 2 5 1 。 加热再生法再生效率高，再生时间短，应用范围广。 热再生装置需外加能源来加热，故其设备投资及运行费用比较高。同时，还 需建后续工艺对活化阶段产生的废气进行处理，以防止产生二次污染。热再生过 程中炭损失较大，一般在5 1 0 ，再生炭机械强度也易下降。 1 3 2 生物再生法 生物再生法是利用经驯化过的细菌，解吸活性炭上吸附的有机物，并进一步 消化分解成h 2 0 和c 0 2 的过程t 2 4 1 0 用生物再生法处理废水的过程中，活性炭发挥 了吸附和载体两种功能。活性炭吸附有机物和溶解氧为附着在活性炭表面的微生 物提供生长繁殖所需的营养；同时微生物降解吸附在活性炭表面和空隙内的有机 物使活性炭再生。 生物法简单易行，投资和运行费用较低，但所需时间较长，受水质和温度的 影响很大。微生物处理污染物的针对性很强，需就特定物质专门驯化。且在降解 过程中一般不能将所有的有机物彻底分解成c 0 2 和h 2 0 ，其中间产物仍残留在活 性炭上，积累在微孔中，多次循环后再生效率会明显降低。因而限制了生物再生 法的工业化应用。 第一章绪论 1 3 3 湿式氧化和催化湿式氧化再生法 湿式氧化再生法是在高温高压的条件下，用氧气或空气作为氧化剂，将处于 液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法t 2 6 1 0 从原理上讲，在高温高压下进行的湿式氧化过程可分为两个阶段，第一阶段 受氧的传质控制，第二阶段则由反应动力学控制。再生条件一般为2 0 0 2 5 0 ， 3 - 7 m p a ，再生时间大多在6 0 m i n 以内。湿式氧化再生法处理对象广泛，反应时间 短，再生效率稳定，再生开始后无需另外加热。但对于某些难降解有机物，可能 会产生毒性更大的中间产物。 传统湿式氧化法再生效率不高，能耗较大。再生温度是影响再生效率的主要 原因，但提高再生温度会增加活性炭的表面氧化，从而降低再生效率。因此，人 们考虑借助高效催化剂，采用催化湿式氧化法再生活性炭。但这种方法更为复杂， 再生系统附属设备多，存在对设备要求高、操作不方便、运行和维护费用高等问 题。 1 3 4 溶剂再生法 溶剂再生法是利用活性炭、溶剂与被吸附质三者之间的相平衡关系，通过改 变温度、溶剂的p h 值等条件，打破吸附平衡，将吸附质从活性炭上脱附下来。 这种再生工艺一般通过以下三种途经来实现：改变污染物的化学性质；使用对污 染物亲和力比活性炭更强的溶剂来萃取；使用对活性炭亲和力比污染物更强的物 质进行置换。溶剂再生法根据所用的溶剂的不同又可分为无机溶剂再生法和有机 溶剂再生法k 2 7 1 。 溶剂再生法一般比较适用于那些可逆吸附，如对高浓度、低沸点有机废水的 吸附。它的针对性较强，往往一种溶剂只能脱附某些污染物，而水处理过程中的 污染物种类繁多，变化不定，因此，一种特定溶剂的应用范围较窄。采用药剂脱 洗的溶剂再生法，有时可从再生液中回收有用的物质，再生操作可在吸附塔内进 行，活性炭损失较小。但是再生不太彻底，微孔易堵塞，影响吸附性能的恢复率， 多次再生后吸附性能明显降低。 硕士学位论文 1 3 5 电化学再生法 电化学再生法是一种正在研究的新型活性炭再生技术t 2 8 j 。该方法将活性炭 填充在两个主电极之间，在电解液中，加以直流电场，活性炭在电场作用下极化， 一端成阳极，另一端呈阴极，形成微电解槽，在活性炭的阴极部位和阳极部位可 分别发生还原反应和氧化反应，吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解，小 部分因电泳力作用发生脱附。该方法操作方便且效率高、能耗低，其处理对象所 受局限性较小，若处理工艺完善，可以避免二次污染。电化学再生活性炭的再生 效率高，可以接近9 0 。 1 3 6 超临界流体萃取再生法 许多物质在常压常温下对某些物质的溶解能力极小，而在亚临界状态或超 临界状态下却具有异常大的溶解能力。在超临界状态下，稍改变压力，溶解度 会产生有数量级的变化。利用这种性质，可以把超临界流体作为萃取剂，通过 调节操作压力来实现溶质的分离，即超临界流体萃取技术。 利用超临界流体( s c f ) 的特殊性质和原理，以其代替普通的溶剂来萃取饱和 活性炭上的有机污染物，达到活性炭再生的目的。超临界流体之所以能够代替普 通的溶剂，是由于：a 超临界流体密度大，对许多有机化合物有较高的溶解度； b 超临界流体粘度小，传质速率高，扩散性能好；c 超临界流体表面张力低，易 于表面渗透；d 超临界流体介电常数大，利于溶解极性物质；e 在临界点附近， 超临界流体的热力学性质随温度，压力变化大，便于与活性炭分离。因而可利用 s c f 作为溶剂，将吸附在活性炭上的有机物扩散与溶解于s c f 之中t 2 9 - 3 0 1 。 利用超临界流体萃取( s f e ) 法再生活性炭是2 0 世纪7 0 年代末开始发展的一 项新技术，最常用的超临界流体为超临界c 0 2 。多年来通过理论分析和实验结 果，证明s c f 再生方法具有温度低，再生炭量无损耗，便于收集污染物等优点。 然而，超临界流体萃取法与溶剂萃取技术一样，对化学吸附的有机物再生效率 不高，而且由于涉及高压操作，对工艺过程的技术及设备材料的要求比较高， 设备投资费用较大。目前该技术的研究大都处于实验室规模，距实现工业化还 有一定距离。 第一章绪论 1 3 7 超声波再生法 由于活性炭热再生需要将全部活性炭、被吸附物质及大量的水分都加热到 较高的温度，有时甚至达到汽化温度，因此能量消耗很大，且工艺设备复杂。 超声波再生就是在活性炭的吸附表面上施加能量，使被吸附物质足以脱离吸附 表面，重新回到溶液中去，以此达到再生活性炭的目的。其最大特点是只在局 部施加能量，而不需将大量的水溶液和活性炭加热，因而施加的能量很小。 超声波再生具有能耗小、工艺及设备简单、活性炭损失小、可回收有用物 质等优点。但其只对物理吸附有效，目前再生效率仅为4 5 左右，且活性炭孔 径大小对再生效率有很大影响。 1 4 本论文活性炭再生方法的选择及其研究现状 1 4 1 活性炭再生方法的选择 传统的活性炭再生技术除了各自的弊端外，通常还有如下几点共同的缺陷 t 3 1 1 ： ( 1 ) 再生过程中活性炭损失往往较大； ( 2 ) 再生后活性炭吸附能力会有明显下降； ( 3 ) 再生时产生的尾气会造成空气的二次污染； ( 4 ) 再生所需时间较长； ( 5 ) 需要复杂的设备： ( 6 ) 不能实现原位再生。因此，人们或对传统的再生技术进行改进，或探索 全新的再生技术。 就上述各活性炭再生方法而言，热再生法以再生效率高，再生时间短，而 成为目前工业上应用最为广泛的活性炭再生方法。然而，热再生过程中炭量损 失较大、再生炭机械强度易下降、投资及运行费用较高等缺点影响了热再生技 术的发展和进一步拓展应用。 近年来，为了解决热再生热源问题，国内外进行了广泛的研究。研究者们 另辟蹊径，以热再生为基础，提出了微波为热源的微波辐照再生技术。作为一 种新兴的活性炭再生技术，由于理论基础比较薄弱，研究成果也就相对有限。 硕士学位论文 资料表明 3 2 1 微波可与表面的物料相作用，同时也穿过表面，与物料的中 心部分相作用，加热均匀。而不像传统的加热方法靠物料本身的导热来进行。 微波辐照再生活性炭具有时间短、耗能低、设备构造简单的特点。然而，在微 波辐照再生过程中，当温度过高时，容易对活性炭产生严重的烧毁。 目前，微波辐照再生活性炭的研究较多的集中于活性炭在微波场中的升温 行为和干法再生时再生效率的影响因素的研究，对于微波辅助湿法再生，再生 炭的吸附性能等方面的研究则很少有相关报道。 1 4 2 活性炭微波辐照再生方法的研究现状 云南省环境科学研究院刘晓海3 3 1 提出用微波辐照再生二氧化碳活化法再 生乙酸乙烯合成用触媒载体废活性炭工艺。采用条件实验法研究了活化时间、 二氧化碳流量等对活性炭碘吸附值，亚甲基蓝吸附值和再生得率的影响，得到强 化再生二氧化碳活化再生乙酸乙烯用触媒载体废活性炭的最佳工艺条件为活 化时间2 5m i n ，二氧化碳流量o 2l m i n 。 l i u 等b 4 3 5 1 将活性炭吸附微波再生技术用于处理含高浓度p c p ( 五氯苯酚) 的废水。经高效液相色谱法测定，当在8 5 0 w 微波功率下辐照1 0 m i n ，吸附于 活性炭的绝大部分p c p 与各种成形碎片被分解成了c 0 2 、h 2 0 、h c l 或紧紧束 缚于活性炭，只有不到2 的p c p 转化成冷凝物的中间产物。通过b e t 比表面 积、碘值、p c p 吸附等温线的比较，发现活性炭经数次吸附微波再生循环后， 其吸附性能可达到一个较为理想的程度，甚至超过新炭。对1 6 0 w 、3 2 0 w 、4 8 0 w 、 6 4 0 w 、8 5 0 w 的微波功率做筛选实验，发现功率在4 8 0 w 以下载酚活性炭不发 生解吸，在4 8 0 w 以上几乎完全解吸。用铠装热电偶测量微波辐照下载酚活性 炭床层的升温曲线，发现当微波功率高至6 4 0 w 时，载酚活性炭床层温度在4 m i n 内升温至110 0 4 c 。考察活性炭量与水含量对升温行为的影响，发现水含量越低， 升温越快，且1 5 9 为最佳活性炭量。与常规方法相比，活性炭吸附一微波再生技术 具有低能耗、省时的优点，而且不需惰性气体保护。 g c h i h j uj o u b 6 1 在研究中发现活性炭进行微波辐照再生时能够降解三氯 乙烯，研究发现这是由于微波辐照再生时产生的电弧引起的，而且三氯乙烯降 解率的高低取决于电弧的强度。 第一章绪论 x i e 等b 7 1 选用三种颗粒活性炭吸附工业废水中的a 0 7 染料，吸附平衡后 在1 2 0 。c 下干燥，然后在8 5 0 w 微波功率下辐照，再生时间约5 m i n 。经4 次再生 后，这三种活性炭吸附容量损耗仅为6 5 左右。经测定，活性炭经微波再生后 中孔比例增大。 韩永忠等3 舳采用微波辅助溶剂再生的方法，对吸附邻硝基苯酚的粒状活 性炭的再生过程进行了研究。结果表明：当以乙醇为再生剂时，达到吸附平衡 的活性炭可在累计数分钟的微波辐照下完成再生，再生率达9 6 以上。再生时， 活性炭局部表面形成的“电弧 ，使活性炭再生损失增加，但远低于传统热再生； 比表面积、微孔容积和平均孔径增大，提高了再生炭的吸附和传质能力。 a n i a 等3 9 1 将载酚活性炭的微波再生与常规加热再生进一步作比较。活性 炭在氮气气氛中经第一次微波再生后的酚吸附容量为4 2 5 m g g ，而常规加热再 生活性炭的酚吸附容量为1 6 1 m g g ，经测定前者比后者的中孔体积约大2 0 左 右。经6 次微波再生的活性炭吸附容量比新炭降低7 2 左右，而用常规加热方 法则降低8 2 ，比表面积前者几乎是后者的两倍。以c 0 2 作载气有利于保护活 性炭孔结构，比用惰性气体更有利于酚的解吸。 b r a d s h a ws m h 等对微波辐照再生活性炭的经济性进行了初步评价，认为 它是一种具有经济优势和发展潜力的再生方法。 1 5 本论文研究的目的、意思及主要内容 苯酚，又称石炭酸，是一种白色晶体，有特殊气味，具有挥发性。可混溶 于乙醇、醚、氯仿、甘油等。苯酚用于生产或制造炸药、肥料、焦炭、照明气、 灯黑、涂料、除涂剂、橡胶、石棉品、木材防腐剂、合成树脂、纺织物、药品、 药物制剂、香水、酚醛塑料和其它塑料，以及聚合物的中间体。也可在石油、 制革、造纸、肥皂、玩具、墨水、农药、香料、染料等行业中使用。在医药上 用作消毒剂、杀虫剂、止痒剂等。在实验室中用作溶剂、试剂，是一种毒性很 强的有机化合物。苯酚对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用，可抑制中枢神经或损 害肝、肾功能。目前来自石油化工厂、树脂厂、焦化厂和炼油化工厂的工业废 水中苯酚的含量都很高，超出了国家规定的污水排放标准 4 1 1 。 由此可见，苯酚是一种很普遍的存在于环境的有毒有机化合物。目前，工 硕士学位论文 业上广泛采用活性炭吸附法处理含酚废水。由此必然会产生大量废活性炭，如 果这些活性炭直接丢弃而不进行再生势必造成巨大的经济损失和二次污染。所 以，经济高效的活性炭再生方法是降低活性炭吸附法处理苯酚废水成本、减少 或避免二次污染的关键所在。 微波辐照再生技术是在热再生法的基础上发展起来的一种新兴的活性炭再 生技术。国内外对活性炭再生技术的研究表明，微波辐照是一种比较理想的活 性炭再生方法。它具有加热速度快，再生时间短，能耗低，可选择性加热和炭 损失量小等特点。因此近年来利用微波辐照再生活性炭的研究很多，但是针对 吸附高浓度苯酚的活性炭再生的研究还很少见报道，且对微波辐照再生前的活 性炭吸附苯酚的吸附行为研究未曾见报道。本研究在借鉴国内外已有的微波加 热理论和应用研究成果的基础上，以吸附饱和活性炭为处理对象，以微波辐照 为再生手段，考察颗粒活性炭对苯酚的吸附行为，确定颗粒活性炭达到吸附平 衡的时间和最大平衡吸附量，及苯酚溶液p h 值对活性炭吸附苯酚性能的影响。 同时，考察微波再生对活性炭吸附性能的影响和微波辐照再生效果，评价微波 干法再生和湿法再生工艺的优劣，确定最佳的再生条件。探讨活性炭微波辐照 再生机理，以期完善和发展活性炭微波再生理论，并使其最终能够拓展到废水 处理用活性炭再生领域。 研究论文拟分三个主体内容展开研究： 第一部分，活性炭吸附苯酚的吸附行为研究：重点考察活性炭吸附苯酚的 吸附动力学，苯酚溶液p h 值对活性炭吸附苯酚性能的影响，活性炭吸附苯酚 符合的吸附等温模型； 第二部分，微波场中活性炭吸附性能的影响因素研究：微波功率、再生时 间和活性炭量等因素对微波场中活性炭质量损耗率的影响； 第三部分，不同工艺条件对活性炭再生效果的影响研究：考察在干法再生 条件下微波功率、再生时间、活性炭量对活性炭再生效率的影响，提出最优的 操作条件；同时考察在湿法再生条件下微波功率、再生时间、再生辅助溶液用 量对活性炭再生效率的影响，提出最佳的操作条件。根据活性炭的再生效率和 再生后活性炭的使用寿命等因素确定最佳的再生方法。 第一章绪论 1 6 本章小结 ( 1 ) 活性炭作为一种优良的吸附和催化材料，其性能由孔隙结构和表面化 学性质两方面决定，目前已在污水源的净化、工业废水处理等方面得到广泛应 用； ( 2 ) 传统的活性炭再生技术都有其各自的缺点。从热再生法发展起来的微 波辐照再生技术是一种新兴的活性炭再生技术，微波辐照再生活性炭具有再生