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活性炭是一种孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的功能型碳材料,其耐酸、耐碱、耐热,且在使用失效以后可方便再生,被广泛应用于工业、农业、国防、交通、医药卫生和环境保护等各个领域,在保护人类生存环境中发挥着越来越重要的作用。

活性炭是废水处理中常用的一种有效吸附剂, 其再生具有重要意义。对热再生法、生物再生法等活性炭再生的传统方法进行了回顾, 同时也对目前新兴的活性炭再生技术, 如电化学法、超临界流体法、催化湿式氧化法和超声波法等进行了介绍与讨论。

  关键词:活性炭 再生 水处理

  活性炭是一种无毒无味, 具有发达细孔结构和巨大比表面积的优良吸附剂。20 世纪60 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。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。我国于20 世纪60 年代已将活性炭用于二硫化碳废水处理, 自20 世纪70 年代初以来, 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, 如在炼油废水、炸药废水、印染废水、化工废水和电镀废水处理等方面都已有了较大规模的应用, 并取得了满意的效果。

  随着活性炭的应用范围日趋广泛, 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0. 83~0.90元外[1] , 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。

  1 传统活性炭再生方法

  1.1 热再生法

  热再生法是目前应用最多, 工业上最成熟的活性炭再生方法[2, 3]。处理有机废水后的活性炭在再生过程中, 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。在干燥阶段,主要去除活性炭上的可挥发成分。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, 生成小分子烃脱附出来,残余成分留在活性炭孔隙内成为“固定炭”。在这一阶段, 温度将达到800~900 °C, 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CO2、CO、H2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。热再生法虽然有再生效率高、应用范围广的特点, 但在再生过程中, 须外加能源加热, 投资及运行费用较高。  生物再生法是利用经驯化过的细菌, 解析活性炭上吸附的有机物, 并进一步消化分解成H2O 和CO2的过程[1, 2]。生物再生法与污水处理中的生物法相类似, 也有好氧法与厌氧法之分。由于活性炭本身的孔径很小, 有的只有几纳米, 微生物不能进入这样的孔隙, 通常认为在再生过程中会发生细胞自溶现象, 即细胞酶流至胞外, 而活性炭对酶有吸附作用,因此在炭表面形成酶促中心, 从而促进污染物分解,达到再生的目的。

  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CO2和H2O , 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。


2.2.1 活性炭的物化性质表征 采用美国康塔公司的Autosorb iQ比表面积与孔径分析仪对活性炭的孔径结构进行分析.在77 K条件下测得活性炭对氮气的吸附-脱附等温线, 由BET法计算总比表面积(SBET), 采用密度函数理论计算孔径分布, 利用系统软件计算总孔容(Vt)和平均孔径(AP), 由t-plot法计算微孔比表面积(Smic)和微孔孔容(Vmic), 由差减法计算微孔以外的孔(主要是介孔)的比表面积(Sext)和孔容(Vext). 参考相关文献(Ribeiro et al., 2013), 采用Bohem滴定法分析表面的含氧官能团, 测定活性炭等电点pH(pHzpc).采用日本ULVAC-PHI公司的PHI 5000 VersaProbeX射线光电子能谱仪研究活性炭表面的元素组成及形态. 2.2.2 活性炭/过硫酸盐体系降解橙黄G实验 取100 mL浓度为40 mg·L-1的橙黄G溶液于锥形瓶中, 依次加入过硫酸钠(5 mmol·L-1)和活性炭(0.5 g·L-1), 密封后置于恒温振荡器中以110 r·min-1的转速振荡.在设定时间取样, 样品用0.45 μm滤膜过滤, 取其滤液, 采用Yoke公司UV752N型紫外分光光度计在478 nm条件下测定吸光度, 计算染料的剩余浓度. 3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 活性炭的物化性质 活性炭比表面积和孔容分析结果如表 1和图 2所示.可以看出, 3种活性炭的比表面积在1000~1500 m2·g-1范围内, 其中, Youshi活性炭含有90%以上的微孔, 是典型的微孔材料, 而Norit活性炭中含有大量介孔, 微孔仅占40%左右, F400D活性炭的微孔比例介于两者之间, 平均孔径接近于微孔.3种活性炭的孔径分布呈现出不同的特点.

以活性炭为吸附剂,亚甲基蓝(MB)为吸附质,考察了吸附剂用量、吸附时间、温度对活性炭去除亚甲基蓝的影响。分别采用伪一级、伪二级动力学模型和Langmuir,Freundlich吸附等温线模型对吸附动力学和等温线进行分析。实验表明,在活性炭用量为0.667 g/L,吸附时间为360 min,反应温度为298 K时,活性炭对亚甲基蓝的最大吸附量为249.081 mg/g。吸附反应在前30 min内速率很快,并约在360 min内达到吸附平衡,吸附动力学符合伪二级动力学模型。吸附反应为放热反应,等温吸附过程符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型,相关系数高于0.99。活性炭对去除水中亚甲基蓝效果好,是一种优良的吸附剂。

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