活性炭再生方法比較及廢核級活性炭再生現狀研究

張治權 李彥樟 陳建利 張崇文 張群

摘 要

活性炭是一種被廣泛使用的吸附劑，但其廢棄后會造成資源浪費、二次污染等問題，故對活性炭再生進行研究具意義重大。本文介紹了幾種活性炭的再生方法，并各自分析了它們的優缺點。廢核級活性炭給電站處理固體廢料帶來巨大壓力，需要尋找合適的辦法進行減容處理，但當前的核級活性炭再生方法僅處于理論與試驗階段。

關鍵詞

活性炭;再生;廢核級

中圖分類號： TQ424.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.058

0 引言

活性炭有著旺盛的孔隙結構及比表面積，具有良好的化學穩定性，方便再生，吸附能力強。廣泛應用于吸附，食品，醫療，催化，儲能等生活各個領域。但活性炭的使用壽命短且成本高，一旦其吸附飽和的話，容易在高溫環境下再釋放形成二次污染。由于這些問題的出現，活性炭在各領域中的使用被很大程度限制。因此，為了活性炭能夠重新利用，需要探索出活性炭的再生手段，以便節約資源。

采用一定的理化或生物方法，在不損害活性炭原有結構的前提下，恢復其大部分吸附能力，使其能夠再利用于吸附過程的目的，這就是活性炭的再生[1]。本文主要介紹國內外對活性炭再生方法近些年來的研究，同時對其優勢和不足進行對比。

1 活性炭的再生方法

1.1 熱再生法

活性炭高溫熱再生的方法是對活性炭進行升溫處理，高溫炭化其中的有機物，最中轉化為從孔隙中逸出的氣體，此時的活性炭得到重生[2]。熱再生法通常經過3個階段分別為干燥、炭化以及活化。在干燥階段，通過蒸發的方式有效去除活性炭吸附的水和低沸點有機物等揮發性成分;炭化過程中，吸附在活性炭上的有機物的一部分被分解，以小分子形式氣化脫離去除，剩余的有機物則被固定在活性炭上。最后活化過程，溫度升至850℃，通水蒸氣、二氧化碳等氣體進行活化反應，生成的一氧化碳、二氧化碳、氫氣等從活性炭上分解脫附，使活性炭重獲吸附能力。加熱再生法是工業上應用最多、技術最純熟的一項方法，對于廢活性炭再生率高，再生徹底且無廢液產生。但再生過程中，改變活性炭表面結構極易發生改變，對炭損失較大，對設備要求也十分嚴格，從而增加了投資運營成本，一旦操作不當還容易造成炭粒粘連。

1.2 溶液再生法

活性炭、溶劑、被吸附質三者之間存在相平衡關系，溶液再生法就是通過變溫、變溶液的酸堿度等手段，打破三者間吸附平衡關系，最終使得吸附物質能夠脫附下來。該方法破壞性很小，故通常應用于貴重產品回收，但一種萃取溶劑只能脫附一些特定種類的污染物，如果被吸附物種類成分復雜，就需要多種萃取劑共同作用。同時，還需要使用腐蝕性較弱的化學溶劑，如果其腐蝕性強，就會腐蝕活性炭表面，破壞其孔隙結構，這樣對吸附容量有很大的影響。

1.3 生物再生法

生物再生法是將培養的微生物降解吸附在活性炭表面的有機污染物，通過微生物的作用，有機物最終氧化分解為二氧化碳和水。生物再生法僅對能夠被分解的污染物有效果，如果吸附質不能生物降解，則不能夠應用此方法。此方法應用前途廣，操作簡單，不破壞活性炭結構，減少了化學試劑使用;但卻需要專門培養微生物，同時再生時間久，多次循環后效率出現下降。

1.4 催化濕式氧化法

催化濕式氧化再生法的發展基礎是熱再生法。它是活性炭表面上吸附的有機污染物會在高溫高壓條件下脫附，然后擴散至溶液中，通過注入空氣，產生的羥基自由基，將脫附下的有機物氧化的一種再生方法[3]。由于高溫高壓條件耗能較高，所以經過不斷研究探索，引入了催化濕式氧化法。投加催化劑能夠有效促進活性炭再生，即為催化濕式氧化再生法。同其他活性炭再生方法比較，這種方法一旦選擇好合適的催化劑，可大幅降低能耗及反應時間。但是其再生效率不高（約為50%），所需設備對耐腐蝕性耐高溫要求高，所產生的廢氣也要再處理[4]。

1.5 電化學再生法

電化學再生法在顆粒活性炭上應用廣泛，目前仍處于研究階段。其原理是將失效活性炭填充兩主極之間，在電解液內通入直流電場，由于電場的作用，活性炭兩端呈現出相反的極性，發生化學反應，活性炭表面吸附的污染物大部分被分解，剩余部分則直接脫附[5]。電化學再生法中，活性炭再生效率高，污染小，多次再生效率降幅很小，操作簡便價。但再生所需要的能耗較大，影響因素也很多，因此未能實現工業化。

2.6 超聲波再生法

在吸附滿的活性炭表面施加能量，被吸附的物質就會因此而發生脫附，此時活性炭再生。超聲波再生法為用超聲波通入活性炭吸附面，再吸附面上形成高能量的“空化泡”，“空化泡”在溶液中不斷變大，裂變成小氣泡，在這些小氣泡表面和內部形成部分高溫、高壓，致使水分裂成羥基自由基，同時高壓分離表面的有機污染物。超聲波再生法僅再局部需要能量，耗能低，利于回收有價值的物質。但是活性炭孔徑會影響吸附效率，實驗研究發現，活性炭再生率低，不足五成。

2.7 微波輻射再生法

微波輻射再生法同樣依據熱再生法原理發展而來。活性炭吸附的污染物，吸收微波能力強于其本身，故利用微波作用產生高溫，吸附在活性炭表面的污染物一部分會炭化，另一部分則燃燒分解[6]。微波輻射再生的優點是能耗低，加熱時間短，活性炭再生的效率高，但是對設備要求十分苛刻，同時存在分解物質不能及時排出等問題，并且在脫附過程中，是否會產生其他中間產物尚不得知。

2.8 超臨界流體再生法

超臨界流體再生法是將物質在超臨界狀態下，通過壓力或溫度的變化，改變物質的溶解度，使其脫附于活性炭表面，最終達到再生。目前僅僅使用二氧化碳作為超臨界流體，因為其臨界溫度臨界壓力均不高，且無污染，我們還需要去尋找更多的超臨界流體，以便此方法得以發展。超臨界流體再生法優點是不改變吸附質原有性質，活性炭再生效率高且損失小，其物質性質不受改變，但其缺點是需要設備耐高溫，所以目前該技術仍處于試驗階段[7]。

3 廢核級活性炭的再生方法探究

核電廠反應堆在運行時會產生各類氣載放射性污染物，其中放射性碘對人體最具威脅，這些放射性碘以碘單質，有機碘等形式存在，為了盡量減少其排放至大氣，就需要碘吸附器作為放射性碘的吸附裝置進行吸附，碘吸附器中的主要物質就是核級活性炭。我國的核級浸漬活性炭，主要原料為椰殼活性炭，通過在其中添加少量比例的三乙烯二胺（TEDA）和碘化鉀（KI）等浸漬物制得。核級活性炭的存在大大降低了核電站的風險，但由于活性炭在核電站廢物處理領域中應用越來越廣泛，飽和后具有放射性的廢核級活性炭將成為二次核廢物。資料表明，目前我國廢核級活性炭的存積量已經達到數百噸，而且每年以數十噸的數量持續增加。如果以這樣的速度繼續增長下去，將會給我國核廢物處理帶來巨大壓力，故需要研究出安全有效的處理方法對核級活性炭進行處理。

本文前面已經討論出活性炭的再生方法，如若廢核級活性炭可以再生處理，則會大大降低二次廢物的產生。目前國內外對核級活性炭再生研究的較少，張昭辰[8]等利用熱空氣吹脫法對廢核級活性炭上的有機吸附物進行去除，但其選用的活性炭僅僅是自制廢核級活性炭，并未選用核電站廢核級活性炭，同時也未考慮再生過程中放射性核素的收集問題。因此，廢核級活性炭的再生目前僅僅停留在理論和試驗階段，再生設備復雜，放射性核素收集難度大是存在的主要問題，如何解決以上問題，仍需要我們不斷探索。

4 結

目前我國年活性炭產量達到約70萬噸，其中煤質活性炭產量約為45萬噸，其主要用于水處理與空氣凈化。如何將吸附飽和的活性炭進行再生處理對環境保護以及經濟可持續發展有著重大意義。同時對廢核級活性炭的再生處置已成為國際共識，此再生方法研究仍是目前我國需解決的主要問題。

參考文獻

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