活性炭集中再生技術(shù)的應(yīng)用研究

活性炭是一種具有類似石墨微晶結(jié)構(gòu)的無(wú)定型碳材料，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，因此具有良好的吸附性能?；钚蕴课街饕晕锢砦胶突瘜W(xué)吸附為主，活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積和官能團(tuán)共同影響其吸附性能，孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)吸附性能起著決定性作用。

　　活性炭用途廣、用量大，伴隨產(chǎn)生的廢活性炭數(shù)量大、種類多、性質(zhì)復(fù)雜。針對(duì)單一種類廢活性炭的處理，不同的再生技術(shù)皆有成功的應(yīng)用案例，但多種類、復(fù)雜來(lái)源廢活性炭集中再生卻存在物料普適性差、再生效率低、再生活性炭品質(zhì)低等問(wèn)題。熱解法作為應(yīng)用最為廣的集中再生技術(shù)，急需加強(qiáng)機(jī)理研究，優(yōu)化工藝控制，才能提高集中再生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

　　1廢活性炭的來(lái)源

　　原生活性炭經(jīng)使用后，孔隙結(jié)構(gòu)被吸附質(zhì)堵塞，導(dǎo)致吸附能力明顯下降或完全喪失，不再滿足原有使用工藝條件和要求而廢棄。廢活性炭吸附了各種有機(jī)物和重金屬等雜質(zhì)，需再生處理后才能實(shí)現(xiàn)資源化利用。廢活性炭是一種含有毒有害物質(zhì)的富集體，具有易燃、有毒等特性，若處理不當(dāng)極易造成地下水、土壤污染，影響人體健康和生產(chǎn)生活，因此被納入固危廢管理。若將廢活性炭直接焚燒或填埋，不僅會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染。

　　2廢活性炭的再生方法

　　廢活性炭再生是指采用物理、化學(xué)、物理化學(xué)等方法將吸附質(zhì)從廢活性炭中去除，恢復(fù)其吸附性能，得到可再次使用的活性炭的過(guò)程。廢活性炭再生根據(jù)原理的不同可分為脫附再生和分解再生兩大類。脫附再生是指在一定溫度、壓力或降低吸附質(zhì)濃度條件下，通過(guò)水蒸氣、氮?dú)饣蚧瘜W(xué)藥劑使吸附質(zhì)分子與活性炭之間的作用力減弱或消失以脫除吸附質(zhì)的過(guò)程。脫附再生法常用于揮發(fā)性有機(jī)物治理、煙氣脫硫、氣體處理等領(lǐng)域的廢活性炭再生。分解再生法是指采用熱化學(xué)法或氧化還原法分解和去除吸附質(zhì)。

　　不同來(lái)源和種類廢活性炭的再生方法很多，常見的有熱再生法、微波再生法、超聲再生法、生物再生法、化學(xué)再生法、電化學(xué)再生法、濕式氧化法、超臨界氧化法以及光催化再生法等。

　　2.1熱再生法

　　熱再生法是指采用直接或間接加熱的方式，使廢活性炭吸附的有機(jī)物進(jìn)行物理脫附和熱化學(xué)分解，從而恢復(fù)其吸附能力，具有處理效率高、普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)化應(yīng)用最廣的主流技術(shù)。

　　2.2微波再生法

　　微波再生是在熱再生基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與傳統(tǒng)熱再生的加熱方式不同，微波加熱效應(yīng)由離子傳導(dǎo)和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生。微波再生具有非接觸性加熱快、受熱均勻及再生時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1]，受微波輻射的穿透深度限制，當(dāng)廢活性炭尺寸或裝填體積過(guò)大時(shí)，部分部位的活性炭吸收的微波量不同，會(huì)造成整體溫度分布不均，影響再生效果。目前，廢活性炭微波再生缺乏對(duì)微波再生反應(yīng)器關(guān)鍵設(shè)備及再生機(jī)理的系統(tǒng)研究，探索以物理脫附再生為主的規(guī)?；瘧?yīng)用是實(shí)現(xiàn)廢活性炭微波再生技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。

　　2.3超聲波再生法

　　超聲波再生作為一種新興再生技術(shù)，起步于20世紀(jì)90年代[2]。利用超聲波裝置產(chǎn)生能量很高的“空化泡”而被再生液吸收，“空化泡”不斷擴(kuò)大直到“破裂”成小氣泡，以高壓沖擊波形式作用于廢活性炭，釋放出能量，活性炭局部溫度迅速升高，吸附質(zhì)得以脫除。目前，超聲波再生研究尚不全面，有待進(jìn)一步完善和驗(yàn)證。

　　2.4生物再生法

　　生物再生法主要利用微生物的降解作用去除廢活性炭吸附的有機(jī)物，由于微生物只能降解可溶、生化性好的有機(jī)物，微生物的新陳代謝產(chǎn)物易堵塞活性炭孔隙通道，且生物降解過(guò)程慢、效率低，因此生物再生法的工業(yè)應(yīng)用極其有限。

　　2.5化學(xué)再生法

　　化學(xué)再生是一種利用化學(xué)藥劑與活性炭吸附質(zhì)之間的物理化學(xué)反應(yīng)的脫附再生方法，一般可分為無(wú)機(jī)酸堿再生和有機(jī)溶劑再生兩種。無(wú)機(jī)酸堿再生利用無(wú)機(jī)酸或無(wú)機(jī)堿來(lái)改變?cè)偕w系的酸堿度，從而使吸附質(zhì)脫附分離的目的，其再生設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，投資小，運(yùn)行簡(jiǎn)便。有機(jī)溶劑再生采用溶劑將有機(jī)吸附質(zhì)萃取出來(lái)，從而恢復(fù)活性炭的吸附能力?；瘜W(xué)藥劑再生具有很強(qiáng)的選擇性，適用范圍窄，也存在再生過(guò)程慢、再生不徹底的問(wèn)題。

　　2.6電化學(xué)再生法

　　電化學(xué)再生法主要用于顆粒狀廢活性炭的再生。它是將廢活性炭填充在兩個(gè)主電極之間，在電解液中加直流電場(chǎng)，使活性炭在電場(chǎng)作用下極化，形成微電解槽[3]。一部分因電泳力作用發(fā)生脫附而使活性炭再生，一部分依靠電解產(chǎn)物氧化分解吸附質(zhì)或與之生成絮狀物[4]。

　　2.7濕式氧化法

　　濕式氧化再生法是利用高溫高壓狀態(tài)下的水作為溶劑，以空氣、氧氣作為氧化劑，活性炭吸附的有機(jī)物部分解吸遷移至溶液中，進(jìn)而被空氣或氧氣氧化分解的方法。濕式氧化法的工藝條件苛刻，操作要求高，對(duì)廢活性炭吸附的有機(jī)物性質(zhì)（極性）有選擇性，僅適合特殊種類的廢活性炭再生。

　　2.8超臨界氧化法

　　超臨界氧化法與濕式氧化法類似，其工作溫度和壓力高于臨界狀態(tài)，超臨界狀態(tài)的水具有密度大、表面張力小、溶解度大、擴(kuò)散性能好等特點(diǎn)[5]。對(duì)于同種廢活性炭而言，超臨界氧化法的再生效果明顯優(yōu)于濕式氧化法，但該法僅停留于實(shí)驗(yàn)研究，尚未開展中試和工業(yè)應(yīng)用研究。

　　2.9光催化再生法

　　光催化氧化法是將光催化氧化法引入傳統(tǒng)活性炭生產(chǎn)使用領(lǐng)域，含有光催化氧化劑的活性炭飽和失效后，在光照條件下便可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)吸附質(zhì)的催化氧化分解，以恢復(fù)活性炭的吸附性能。光催化再生法符合活性炭綠色發(fā)展的要求，是活性炭生產(chǎn)制造領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

　　3廢活性炭熱解再生技術(shù)

　　熱解再生是廢活性炭熱再生法中的一種主流工藝，其再生過(guò)程不僅包含吸附質(zhì)的物理脫附過(guò)程，還包含有機(jī)吸附質(zhì)熱解和半焦氣化過(guò)程。根據(jù)有機(jī)物吸附質(zhì)加熱到不同溫度時(shí)的變化，一般可分為干燥、中低溫?zé)峤?、高溫?zé)峤夂透邷貧饣膫€(gè)階段。其中，干燥階段主要去除水分和揮發(fā)性有機(jī)物，屬于物理過(guò)程；中低溫?zé)峤怆A段主要去除易分解型有機(jī)物；高溫?zé)峤怆A段主要去除難分解型有機(jī)物；高溫氣化階段主要是去除活性炭孔隙通道中殘留的熱解半焦，以及活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的部分重構(gòu)，后三個(gè)階段都屬于熱化學(xué)過(guò)程。熱解再生不僅可去除有機(jī)吸附質(zhì)，而且能去除部分沉積在活性炭孔隙中的揮發(fā)性重金屬，有利于活性炭吸附性能的全面恢復(fù)。

　　在100℃～150℃干燥階段，水分子和部分吸附質(zhì)的分子震動(dòng)能增加，吸附質(zhì)脫離活性炭表面進(jìn)入氣相，這個(gè)過(guò)程以水分的蒸發(fā)和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）脫附為主；在150℃～600℃中低溫?zé)峤怆A段，低沸點(diǎn)有機(jī)物、易分解型有機(jī)物及高沸點(diǎn)有機(jī)物受熱分解，產(chǎn)生氣、液、固三種形態(tài)的熱解產(chǎn)物，固態(tài)熱解產(chǎn)物為有機(jī)吸附質(zhì)縮聚產(chǎn)生的中低溫半焦；在600℃～800℃高溫?zé)峤怆A段，難分解型有機(jī)物分解為可燃性氣體和高溫半焦，中低溫?zé)峤獍虢惯M(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化為高溫半焦。中低溫?zé)峤怆A段和高溫?zé)峤怆A段通常統(tǒng)稱為“炭化階段”，殘留在活性炭孔隙中的有機(jī)吸附質(zhì)熱解半焦的氣化燃燒是整個(gè)再生過(guò)程中最為關(guān)鍵和緩慢的步驟，半焦的去除過(guò)程不僅決定了再生活性炭的吸附性能，而且影響廢活性炭進(jìn)料速率、再生爐溫度分布、再生停留時(shí)間、再生氧含量、輔助燃料量和煙氣流量等運(yùn)行工藝參數(shù)調(diào)整。殘留在活性炭孔隙中的高溫半焦成為影響廢活性炭恢復(fù)孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性能的關(guān)鍵因素，因此整個(gè)熱解階段只能恢復(fù)活性炭的部分吸附性能。

　　800℃～1000℃高溫氣化階段通常被稱為活化階段，它是整個(gè)再生過(guò)程的關(guān)鍵一環(huán)，常采用水蒸氣氣化法去除活性炭孔隙中殘留的高溫半焦，半焦優(yōu)先與水蒸氣反應(yīng)而得以去除。水蒸氣氣化能有效弱化活性炭基質(zhì)的空氣氧化燒蝕作用，從而提高再生活性炭的吸附性能、回收率和強(qiáng)度。

　　熱解再生技術(shù)工業(yè)應(yīng)用時(shí)，主要采用回轉(zhuǎn)窯作為再生反應(yīng)器。為了維持熱解再生過(guò)程的高溫條件，需持續(xù)為熱解再生爐供熱，燃燒器的投用會(huì)引入部分過(guò)量的空氣，同時(shí)部分環(huán)境空氣也會(huì)經(jīng)密封裝置進(jìn)入再生爐，這些過(guò)剩的空氣會(huì)和活性炭基質(zhì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)起到一定的活化作用，但也會(huì)引起炭基質(zhì)氣化燒蝕，影響再生活性炭的收率和強(qiáng)度。

　　由于熱解再生過(guò)程中必然存在一定程度的活性炭基質(zhì)燒蝕，因此再生活性炭的吸附性能隨再生次數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)。熱解再生的難易程度與廢活性炭吸附質(zhì)的化學(xué)組分和熱解特性密切相關(guān)，若吸附質(zhì)熱解產(chǎn)生的半焦越多，則廢活性炭再生溫度越高，再生時(shí)間越長(zhǎng)，水蒸氣用量越大。廢活性炭熱解再生的工藝條件越苛刻，往往活性炭基質(zhì)越容易被燒蝕[6]。

　　在廢活性炭熱解再生過(guò)程中，為大程度恢復(fù)其吸附性能和減少活性炭基質(zhì)氣化燒蝕，需嚴(yán)格控制熱解再生氣氛（氧含量）和水蒸氣用量，平衡調(diào)整和優(yōu)化再生溫度及再生時(shí)間等工藝參數(shù)。對(duì)于吸附單一的揮發(fā)性有機(jī)物或易分解型有機(jī)物的廢活性炭而言，僅經(jīng)干燥或熱解階段，便能恢復(fù)活性炭的吸附性能。對(duì)于吸附難分解型有機(jī)物的廢活性炭而言，清除熱解半焦的活化階段則是必不可少的關(guān)鍵步驟[7]。

　　4廢活性炭再生存在的問(wèn)題

　　國(guó)內(nèi)對(duì)不同種類、來(lái)源及特性的廢活性炭進(jìn)行過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和小試模擬再生，雖然取得了豐富的研究成果，但工業(yè)應(yīng)用時(shí)往往存在再生活性炭的碘值不高、強(qiáng)度低、收率低、產(chǎn)能利用率低及生產(chǎn)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。這是因?yàn)椋海?/span>1）在實(shí)驗(yàn)室再生小試模擬研究過(guò)程中，往往使用固定來(lái)源的廢活性炭樣品，而廢活性炭的來(lái)源及產(chǎn)廢工藝是極其復(fù)雜的，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)研究成果難以普及應(yīng)用；（2）受實(shí)驗(yàn)條件限制，大多數(shù)研究集中在不同再生條件下的廢活性炭再生效果分析，例如再生溫度、再生時(shí)間、再生氣氛對(duì)再生活性炭質(zhì)量的影響，往往忽略了再生反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及原理、不同反應(yīng)器再生過(guò)程控制、再生污染物治理對(duì)大型化工業(yè)應(yīng)用的影響。

　　廢活性炭再生技術(shù)開發(fā)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，但部分新興再生技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用效果不佳，例如微波再生的處理能力小、效率低、難以規(guī)?；瘧?yīng)用，此類工藝難題尚需在應(yīng)用中以技術(shù)創(chuàng)新方式加以解決。熱解再生技術(shù)雖然應(yīng)用廣，但對(duì)多種類廢活性炭綜合再生時(shí)不同吸附質(zhì)之間的熱解交互作用機(jī)制及熱解氣化燃燒過(guò)程控制的研究較為薄弱，工業(yè)應(yīng)用普遍存在再生進(jìn)料速率、溫度、氧含量等多參數(shù)不匹配、不穩(wěn)定、工況差的情況，影響了再生活性炭的品質(zhì)和價(jià)值，嚴(yán)重制約了廢活性炭熱解再生技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

　　5總結(jié)及建議

　　根據(jù)廢活性炭的來(lái)源、種類和性質(zhì)進(jìn)行分類分質(zhì)再生，是提高廢活性炭再生利用水平的一種有效措施，如源頭再生、低溫?zé)崦摳皆偕染〉昧艘欢ǔ潭鹊陌l(fā)展，模塊化設(shè)計(jì)的小型移動(dòng)車載式再生設(shè)備也能滿足了部分小散企業(yè)廢活性炭的再生需求，但大量的工業(yè)廢活性炭尚未得到有效集中再生，存在較大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

　　廢活性炭具有來(lái)源廣、種類多、產(chǎn)廢分散的特點(diǎn)，急需加強(qiáng)廢活性炭集中綜合再生技術(shù)能力建設(shè)，補(bǔ)齊工業(yè)廢活性炭再生利用短板。應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)普適性強(qiáng)的新型再生技術(shù)，以大型化集中再生為抓手，以傳統(tǒng)熱解再生技術(shù)為基礎(chǔ)，深入研究復(fù)雜多組分吸附質(zhì)熱解交互作用機(jī)理及過(guò)程控制技術(shù)，提高熱解再生技術(shù)和成套裝備的技術(shù)水平，才能提高熱解再生應(yīng)用的技術(shù)先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

不同種類廢活性炭的吸附原理、用途、循環(huán)利用價(jià)值不同，應(yīng)結(jié)合不同再生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用創(chuàng)新，這也是廢活性炭再生的重要發(fā)展方向。