顆粒活性炭電化學(xué)再生研究

王世真

（大連市生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116041）

顆粒活性炭被廣泛應(yīng)用于防臭、去除剩余氯、洗滌劑、殺蟲(chóng)劑、顏料、芳香族以及其他雜環(huán)有機(jī)物的處理上[1]。盡管顆粒活性炭在水處理上的效果較好，但是活性炭在水處理運(yùn)行中存在使用量大、價(jià)格高的問(wèn)題，其費(fèi)用往往占運(yùn)行成本的30%～45%。用過(guò)的活性炭不經(jīng)處理即廢棄、掩埋或燃燒，不僅會(huì)浪費(fèi)資源，而且還會(huì)造成二次污染。因此，對(duì)用過(guò)的活性炭進(jìn)行再生具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少對(duì)環(huán)境的污染。活性炭再生是指將失去活性的飽和態(tài)活性炭經(jīng)過(guò)特殊處理，使其重新具有活性，恢復(fù)大部分的吸附能力的過(guò)程和方法[2]。

該文采用電化學(xué)試驗(yàn)來(lái)探討活性炭的再生機(jī)理以及影響飽和活性炭再生效率的因素，從而確定活性炭電化學(xué)再生的最佳條件。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 主要儀器和試劑

該試驗(yàn)的主要儀器和試劑如下：可見(jiàn)分光光度計(jì)為T6型；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為L(zhǎng)W10J10 型；pH 計(jì)為F2；水泵為RS-46BB。

1.2 測(cè)定方法

該試驗(yàn)采用的測(cè)定方法為苯酚4-氨基安替比林分光光度法[3]（水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法第四版）。

1.3 試驗(yàn)裝置

電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。試驗(yàn)裝置主要分為5 個(gè)部分，A 部分為電解槽，B 部分為布水器，C 部分為電解槽上部的電極分布法蘭，D 部分為電解槽與布水器間的電極分布法蘭，E 部分為鈦電極。

圖1 電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)裝置采用上圖圓柱形有機(jī)玻璃三維電化學(xué)反應(yīng)器，有效尺寸為?7.0 cm×10 cm。電極的內(nèi)徑為?0.6 cm 的圓柱形過(guò)濾式電極，材質(zhì)為金屬鈦，孔徑為30 μm～50 μm。電極以正多邊形陰陽(yáng)極交錯(cuò)式排布，電極間填充活性炭。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 電流強(qiáng)度對(duì)再生效率的影響

在電化學(xué)反應(yīng)中，電流強(qiáng)度是非常重要的影響因素之一，因此，在控制流速為20 mL/min、電解質(zhì)為Na2SO4、濃度為1 g/L、填充物為飽和活性炭且吸附物為苯酚的條件下，改變電流強(qiáng)度，考察電流分別為2 A 和4 A 時(shí)對(duì)活性炭再生效率的影響。每隔30 min 取樣測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算再生效率。

由圖2 可知，電流強(qiáng)度的改變對(duì)活性炭的再生效率有較大的影響。增大電解電流可以提高活性炭的再生效率，在電流從2 A 增至4 A、再生時(shí)間為3 h 的情況下，再生效率可由原來(lái)的45%升至85%。說(shuō)明增大電流可以使活性炭中的苯酚更好地降解，減少活性炭微孔中的苯酚殘留濃度，從而提高活性炭的再生效率。當(dāng)電流為4 A 時(shí)，隨著再生時(shí)間延長(zhǎng)，再生效率逐漸提高，最終再生時(shí)間為3 h，效率升至85%。當(dāng)電流為2 A 時(shí)，再生前1 h，再生效率逐漸提高，后續(xù)趨于穩(wěn)定。

圖2 電流對(duì)再生效率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，電流在提高1 倍的條件下，再生效率并未倍增。由表1 可知，當(dāng)再生電流為4 A 時(shí)，其再生能耗為0.240 kW·h；比電流為2 A 時(shí)的再生能耗（0.096 kW·h）高很多，說(shuō)明再生電流為4 A 時(shí)的再生效率高，但是在活性炭再生過(guò)程中，部分苯酚以陽(yáng)極直接氧化方式進(jìn)行降解，在高電流情況下，增加了副反應(yīng)的發(fā)生概率，例如析氫、析氧反應(yīng)使電極表面析出氣體，形成氣模阻礙，降低了接觸電極表面的概率，導(dǎo)致電流效率下降，增加能耗。

表1 電解能耗比較

表3 流速2.5 mL/min 活性炭的吸附情況

2.2 流速對(duì)活性炭再生效率的影響

在電再生過(guò)程中，流速對(duì)再生結(jié)果也有很大的影響。由圖3 可知，在電解質(zhì)為Na2SO4溶液、濃度為1 g/L 且再生電流為2 A 的條件下，當(dāng)進(jìn)水流速為20 mL/min 時(shí)，電解3 h 后，新鮮活性炭的再生效率為63.37%，將流速降至2.5 mL/min，電解3 h 后，新鮮活性炭的再生效率可以達(dá)到98%。此外，通過(guò)多次再生試驗(yàn)，2種進(jìn)水流速的二次再生效率分別為45.94%和87.55%。同時(shí)，在整個(gè)再生過(guò)程中，隨著再生時(shí)間延長(zhǎng)，活性炭再生效果趨于穩(wěn)定，與前一試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖3 不同流速新鮮活性炭的再生效率

在電流和電解時(shí)間相同的情況下，降低進(jìn)水流速可以提高活性炭的再生效率。降低流速，相當(dāng)于增加水力停留時(shí)間，使電解反應(yīng)在反應(yīng)器中發(fā)生的更充分、更穩(wěn)定，在反應(yīng)過(guò)程中，產(chǎn)物隨著水流排出，說(shuō)明活性炭上的苯酚的減少非沖洗所致。

2.3 進(jìn)水方式對(duì)再生效率影響

在電解質(zhì)為Na2SO4溶液、濃度為1 g/L、再生電流為2 A 且電解3 h 的條件下，試驗(yàn)采用不同進(jìn)水方式考察其對(duì)活性炭再生效果的影響。試驗(yàn)采用以下3 種進(jìn)水方式：1） 間歇式進(jìn)水。以流速10 mL/min 電解10 min，然后閉合開(kāi)關(guān)30 min，使流速為0 mL/min，40 min為1 個(gè)周期，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該方式水力停留時(shí)間約為3.5 h。2） 連續(xù)進(jìn)水。流速控制為20 mL/min，水力停留時(shí)間為0.75 h。3） 連續(xù)進(jìn)水。流速為2.5 mL/min，水力停留時(shí)間為6.0 h。

如圖4 所示，當(dāng)采用間歇式進(jìn)水方式時(shí)，活性炭的再生效率為60.59%。采用2.5 mL/min恒定流速的連續(xù)進(jìn)水方式，其再生效率達(dá)87.55%。間歇式進(jìn)水方式的再生效果比流速恒定2.5 mL/min 時(shí)的再生效果差。通過(guò)計(jì)算可知，3 種方式的水力停留時(shí)間各不相同，采用2.5 mL/min恒定流速的連續(xù)進(jìn)水方式其水力停留時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明延長(zhǎng)水力停留時(shí)間可以提高活性炭的再生效率，提高活性炭再生效果需要足夠的水力停留時(shí)間，以保證電解反應(yīng)可以充分、穩(wěn)定地進(jìn)行。此外，采用連續(xù)進(jìn)出水方式苯酚的降解產(chǎn)物可以及時(shí)隨水流出，提高降解反應(yīng)的反向速率。

圖4 水力停留時(shí)間不同的再生效率

2.4 多次吸附對(duì)活性炭再生效率的影響

在實(shí)際使用中，活性炭能否重復(fù)再生使用至關(guān)重要。在電解質(zhì)為Na2SO4溶液、濃度為1 g/L、再生電流為2 A、進(jìn)水流速為20 mL/min 且再生時(shí)間為3 h 的條件下，以新鮮活性炭吸附苯酚量作為參考，實(shí)施多次循環(huán)吸附飽和、電再生過(guò)程，考察活性炭的電化學(xué)再生效率變化情況。

以新鮮活性炭的吸附苯酚量為100%為例（如圖5 所示），吸附飽和后的活性炭的第一次再生效率最高，可達(dá)60%。第二次活性炭的電化學(xué)再生效率明顯比第一次低，但是與第二、第三以及第四次相比，沒(méi)有明顯變化；與第一次再生相比，后續(xù)再生效率隨吸附再生循環(huán)次數(shù)變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明活性炭再生效率與電流、再生時(shí)間等試驗(yàn)條件有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在試驗(yàn)條件恒定的前提下，活性炭上的苯酚降解數(shù)量基本不變。

圖5 多次再生活性炭的效率

如果在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，控制進(jìn)水流速為2.5 mL/min，那么與流速為20 mL/min 相比，在降低流速的情況下，整體再生效果明顯提高。與新鮮活性炭相比，第二次以后的再生效果依然會(huì)下降，但是下降幅度比前一結(jié)果小。第二次、第三次以及第四次的再生結(jié)果無(wú)明顯差別。

通過(guò)前述試驗(yàn)可以確定電化學(xué)方法活性炭再生的最佳再生條件，在電解質(zhì)為Na2SO4溶液、濃度為1 g/L、電解電流為2 A 且流速為2.5 mL/min 的條件下，再生效率可達(dá)80%以上。既可以減少能耗，也可以節(jié)省化學(xué)藥品，經(jīng)濟(jì)效益較好。

2.5 吸附介質(zhì)電解量及沖洗量

在以苯酚為目標(biāo)物的活性炭電化學(xué)再生過(guò)程中，苯酚是以化學(xué)反應(yīng)的方式降解還是以物理解吸的方式脫離體系使活性炭恢復(fù)吸附容量對(duì)整個(gè)再生過(guò)程非常重要。因此，在多次吸附、再生過(guò)程中，考察流出液中苯酚殘留量，以解釋苯酚的變化過(guò)程。

由圖6 可知，在活性炭再生過(guò)程中，有一部分苯酚未被降解，會(huì)隨著水流沖洗出來(lái)。隨著再生次數(shù)增加，出水的苯酚濃度也逐漸增加。說(shuō)明電解時(shí)苯酚不能被降解完全，一部分會(huì)殘留在活性炭的空隙中，多次吸附，殘留的苯酚量累積增加，隨出水沖出的苯酚量也增加。

圖6 流速2.5 mL/min 出水苯酚濃度

在多次循環(huán)再生過(guò)程中，流出液中苯酚的殘留濃度大約為100 mg/L～450 mg/L，其沖出率變化不超過(guò)4%，見(jiàn)表2。由表2 可知，在電化學(xué)降解苯酚的過(guò)程中，雖然有一部分苯酚未能降解，被沖洗出反應(yīng)器，但是這部分比例很小，超過(guò)95%以上的苯酚被電化學(xué)氧化的方式降解除去。

3 結(jié)語(yǔ)

該試驗(yàn)研究用電化學(xué)方法將活性炭再生，利用三維電極降解苯酚考查電解條件對(duì)再生效率的影響。試驗(yàn)證明，再生時(shí)間、電流強(qiáng)度和流速等條件對(duì)再生效率都有影響。通過(guò)試驗(yàn)得到以下結(jié)論：飽和活性炭的最佳電解條件為電解質(zhì)為Na2SO4溶液、濃度為1 g/L、恒流電流為2 A、中間出水流速2.5 mL/min 且電解3 h，活性炭的再生效率可以達(dá)到80%以上。采用電化學(xué)方法再生顆粒活性炭方法具有可行性且再生效率較高，可以為應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。