活性炭再生技術(shù)概括

1、活性炭再生及新技術(shù)研究  活性炭在水處理運行中存在使用量大、價高的問題，其費用往往占運行成本30-45。用過的活性炭不經(jīng)處理即行廢棄，不僅對資源是很大的浪費，還將造成二次污染。因此，將用過的飽和炭進行再生具有顯著的經(jīng)濟價值?；钚蕴吭偕?或稱活化)，是指用物理或化學(xué)方法在不破壞活性炭原有結(jié)構(gòu)的前提下，將吸附于活性炭微孔的吸附質(zhì)予以去除，恢復(fù)其吸附性能，達到重復(fù)使用目的。 1 活性炭再生的幾種方法 1.1 藥劑洗脫的化學(xué)法 對于高濃度、低沸點的有機物吸附質(zhì)，應(yīng)首先考慮化學(xué)法再生。 (1)無機藥劑再生。是指用無機酸(硫酸、鹽酸) 或堿(氫氧化鈉)等藥劑使吸附質(zhì)脫除，又稱酸堿再生法

2、。例如吸附高濃度酚的炭，用氫氧化鈉溶液洗滌，脫附的酚以酚鈉鹽形式被回收，再生工藝流程見圖1。吸附廢水中重金屬的炭也可用此法再生，這時再生藥劑使用HCl等。 圖1 吸附酚的飽和炭無機藥劑再生工藝流程(2)有機溶劑再生。用苯、丙酮及甲醇等有機溶利，萃取吸附在活性炭上的吸附質(zhì)。再生工藝流程見圖2。例如吸附高濃度酚的炭也可用有機溶劑再生。焦化廠煤氣洗滌廢水用活性炭處理后的飽和炭也可用有機溶劑再生。 圖2 有機溶劑再生工藝流程采用藥劑洗脫的化學(xué)再生法，有時可從再生液中回收有用的物質(zhì)，再生操作可在吸附塔內(nèi)進行，活性炭損耗較小，但再生不太徹底，微孔易堵塞，影響吸附性能的恢復(fù)率，多次再生后吸附性能明顯降低。

3、1.2 生物再生法 利用經(jīng)過馴化培養(yǎng)的菌種處理失效的活性炭，使吸附在活性炭上的有機物降解并氧化分解成CO2 和H2O，恢復(fù)其吸附性能，這種利用微生物再生飽和炭的方法，僅適用于吸附易被微生物分解的有機物的飽和炭，而且分解反應(yīng)必須徹底，即有機物最終被分解為CO2和H2O，否則有被活性炭再吸附的可能。如果處理水中含有生物難降解或難脫附的有機物，則生物再生效果將受影響。 生物再生試驗流程見圖3。吸附試驗時4柱串聯(lián)運行，再生運行時4柱并聯(lián)操作。 近年來利用活性炭對水中有機物及溶解氧的強吸附特性，以及活性炭表面作為微生物聚集繁殖生長的良好載體，在適宜條件下，同時發(fā)揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用，

4、這種協(xié)同作用的水處理技術(shù)稱為生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)。這種方法可使活性炭使用周期比通常的吸附周期延長多倍，但使用一定時期后，被活性炭吸附而難生物降解的那部分物質(zhì)仍將影響出水水質(zhì)。因此在飲用水深度處理運行中，過長的活性炭吸附周期將難以保證出水水質(zhì)，定期更換活性炭是必須的。 圖3 生物再生試驗流程1.3濕式氧化法 這種再生法通常用于再生粉末活性炭，如為提高曝氣池處理能力投加的粉末炭。將吸附飽和的炭漿升溫至200250，通入空氣加壓至(300700) X104P，在反應(yīng)塔內(nèi)被活性炭吸附的有機物在高溫高壓下氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭經(jīng)熱交

5、換器冷卻后，送入儲炭槽再回用。有機物碳化后的灰分在反應(yīng)器底部集積后定期排放。 濕式氧化法適宜處理毒性高、生物難降解的吸附質(zhì)。溫度和壓力須根據(jù)吸附質(zhì)特性而定，因為這直接影響炭的吸附性能恢復(fù)率和炭的損耗。這種再生法的再生系統(tǒng)附屬設(shè)施多，所以操作較麻煩。 1.4 電解氧化法 利用電解時產(chǎn)生的新生態(tài)O，C1等強氧化劑，使活性炭吸附的有機物氧化分解。但在實際運行中，存在金屬電極腐蝕、鈍化、絮凝物堵塞等問題。而不溶性電極-石墨存在體積大、電阻高、耗電大等缺點，因此尚未見在實踐中應(yīng)用。 1.5 加熱再生法 根據(jù)有機物在加熱過程中分解脫附的溫度不同，加熱再生分為低溫加熱再生和高溫加熱再生。 (1)低溫加熱再生

6、法。對于吸附沸點較低的低分子碳氫化合物和芳香族有機物的飽和炭，一般用 100200蒸汽吹脫使炭再生，再生可在吸附塔內(nèi)進行。脫附后的有機物蒸汽經(jīng)冷凝后可回收利用。常用于氣體吸附的活性炭再生。蒸汽吹脫方法也用于啤酒、飲料行業(yè)工藝用水前級處理的飽和活性炭再生。 (2)高溫加熱再生法。在水處理中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機物，且吸附周期長。高溫加熱再生法通常經(jīng)過850高溫加熱，使吸附在活性炭上的有機物經(jīng)碳化、活化后達到再生目的，吸附恢復(fù)率高、且再生效果穩(wěn)定。因此，對用于水處理的活性炭的再生，普遍采用高溫加熱法。 經(jīng)脫水后的活性炭，加熱再生全過程一般需經(jīng)過下述3個階段。 (1)干燥階段。將含

7、水率在5086的濕炭，在100150溫度下加熱，使炭粒內(nèi)吸附水蒸發(fā)，同時部分低沸點有機物也隨之揮發(fā)。在此階段內(nèi)所消耗熱量占再生全過程總能耗的5070。 (2)焙燒階段，或稱碳化階段。粒炭被加熱升溫至150700。不同的有機物隨溫度升高，分別以揮發(fā)、分解、碳化、氧化的形式，從活性炭的基質(zhì)上消除。通常到此階段，再生炭的吸附恢復(fù)率已達到 6085。 (3)活化階段。有機物經(jīng)高溫碳化后，有相當(dāng)部分碳化物殘留在活性炭微孔中。此時碳化物需用水蒸汽、二氧化碳等氧化性氣體進行氣化反應(yīng)，使殘留碳化物在850左右氣化成CO2，CO等氣體。使微孔表面得到清理，恢復(fù)其吸附性能。 殘留碳化物與氧化性氣體的反應(yīng)式如下：

8、C + O2 CO2 C + H2O CO+H2 C + CO2 2CO 高溫再生過程中，氧對活性炭的基質(zhì)影響很大，因此必須在微正壓條件下運行。過量的氧將使活性炭燒損灰化，而過低的氧量又將影響爐內(nèi)溫度和再生效果。因此，一般的高溫加熱再生爐內(nèi)對氧必須嚴(yán)格控制，余氧量小于1，CO含量為2.5左右，水蒸汽注入量為0.21 kgkg活性炭(根據(jù)爐型確定)。 活性炭再生設(shè)備的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在：吸附恢復(fù)率、炭損率、強度、能量消耗、輔料消耗、再生溫度、再生時間、對人體和環(huán)境的影響、設(shè)備及基礎(chǔ)投資、操作管理檢修的繁簡程度。 此外，任何活性炭高溫加熱再生裝置中都需要妥善解決的是防止炭粒相互粘結(jié)、燒結(jié)成塊并造成局部

9、起火或堵塞通道，甚至導(dǎo)致運行癱瘓的現(xiàn)象。 2 高溫加熱再生的幾種裝置 高溫加熱活性炭再生系統(tǒng)，由脫水裝置、活性炭輸送、高溫加熱再生裝置、活性炭冷卻、廢氣處理、活性炭貯罐組成。此外還有加熱所需的熱源，如燃油、天然氣、煤氣或焦炭以及電力、蒸汽鍋爐。其中以再生裝置為主。 加熱再生裝置有多種形式。目前國內(nèi)外使用較多的有多層式、回轉(zhuǎn)式、流化床式、移動床式等。 2.1 多層式 又稱立式多段再生爐，或稱多層耙式爐。主要用于再生粒狀炭，在美國采用較普遍，國內(nèi)也有引進。適用于大型活性炭再生，一般再生量都大于2td。其特點為：用天然氣或油作燃料，水蒸汽活化，由爐頂部供飽和炭，用轉(zhuǎn)動的粑臂將炭推送至下一層，由上至下

10、6層(或8層)，見圖4。圖4 多層式再生裝置(1)干燥段。第13層，停留時間15min，爐溫100700。 (2)焙燒段。第4層，停留時間5 min，爐溫700800 (3)活化段。第56層，停留時間10min，爐溫800900。此段內(nèi)通水蒸汽活化。 再生炭用水槽急冷后排走。再生炭碘值恢復(fù)率 8695，炭再生損耗率715(因為既有燒損又有轉(zhuǎn)耙磨耗)。蒸汽耗量1 kgkg活性炭，總能耗4 925 kcalkg活性炭(折合電耗572 kW·hkg 活性炭)。 2.2 回轉(zhuǎn)式 又稱轉(zhuǎn)爐，有一段式或二段式，有內(nèi)燃式直接加熱或外燃式間接加熱。內(nèi)燃式炭再生損耗較大，外燃式效率較低，活化段須微正壓

11、且通水蒸汽活化。圖5為二段回轉(zhuǎn)式再生裝置，干燥段用內(nèi)燃式轉(zhuǎn)爐，焙燒、活化段用外燃式轉(zhuǎn)爐。圖5 二段回轉(zhuǎn)式再生裝置回轉(zhuǎn)式再生裝置操作較簡單，一段式轉(zhuǎn)爐爐體長達15m，所以爐體往往要變形，活化段溫度升至 750后不易再上升，再生恢復(fù)率與達到的最高溫度有關(guān)。停留時間34 h，炭再生損耗率5 7，總能耗7 899 kcalkg活性炭(折合電耗9.18 kW·hkg活性炭)。 2.3 流化床式 又稱流化床再生爐，有內(nèi)燃式及外燃式兩種，有一段或多段。國外用于再生粉末炭及球形炭。 燃燒重油或煤氣，并從爐底通入水蒸汽，使炭呈流化狀態(tài)?；钚蕴孔陨隙铝鲃?，完成干燥、焙燒、活化(800900)。圖6為二

12、段外燃式流化床再生裝置，這種爐型的爐溫、水蒸汽投加量與流化狀態(tài)調(diào)節(jié)困難，再生損耗率710，再生時間710h，總能耗3 32611 341 kcalkg活性炭)(折合電耗 3.8713.18 kW·hkg活性炭)。 圖6 二段外燃式流化床再生裝置2.4 移動床式 又稱立式移動床再生爐(見圖7)。再生部分由兩層不銹鋼管組成，炭自上而下在兩管隔層中移動，內(nèi)管道水蒸汽在活化段由細孔排至隔層中，與活性炭進行氧化反應(yīng)。外管與燃燒室接觸，將熱量傳導(dǎo)至活性炭，再生氣體由上部通氣孔排出至燃燒室處置，尾氣由旁置煙囪排除。爐底有盤式出料裝置將再生炭排出。這種爐型構(gòu)造簡單、操作管理較方便，由于再生時間長達6

13、h，所以爐體高12m，水蒸汽量為0.2kgkg活性炭)，燃氣溫度入口1 000，出口 7080，再生損耗34，總能耗約6 950 kcalkg活性炭(折合電耗8.07 kW·hkg活性炭)，熱回收型總能耗3 360 kcalkg活性炭(折合電耗 3.9kW·hkg活性炭)。 圖7 外燃式立式移動床再生裝置國內(nèi)研制的盤式爐也屬移動床式(見圖8)。活性炭自上而下，在由中空的料盤疊成的管狀通道中移動，再生氣體由料盤縫隙排出。以重柴油作燃料，爐膛燃燒室溫度達1 1101 300，熱量從料盤及料盤縫隙傳至活性炭，水蒸汽自爐底通入。活性炭在爐膛內(nèi)得到再生。 圖8 盤式再生裝置2.5 電

14、加熱再生裝置 以電作能源的高溫加熱再生裝置，有微波爐、遠紅外爐及直接通電式再生爐。 (1)微波加熱。微波是由磁控管(或速調(diào)管)通過電壓的周期性變動而產(chǎn)生，使微波吸收體的內(nèi)部極性分子高速反復(fù)運動產(chǎn)生熱能。再生爐體為微波諧振膛。用于干燥或加熱工藝的微波頻率為970 MHz及2450 MHz兩種。微波再生的優(yōu)點是微波使炭自身發(fā)熱，加熱速度快，可迅速達到再生要求的高溫，裝置體積小。缺點是爐膛內(nèi)加熱不易均勻(微波能量吸收不均勻)，有時產(chǎn)生炭燒結(jié)現(xiàn)象。此外，微波輻射需要較好的屏蔽，當(dāng)漏能功率大于0.01 wcm2，接觸時間在6min以上時，對人體的健康有損害。在微波產(chǎn)生、輸送過程中，磁控管本身消耗3040

15、的功率，再生能耗一般為1.46kW·hkg活性炭。 (2)遠紅外線再生裝置。遠紅外線加熱，一般用于干燥活性炭，也有用于再生的，其效果取決于被加熱物體對各特定波長的紅外線的吸收能力。輻射體一般是用碳化硅板加涂料，二者輻射波長的匹配將直接影響加熱效率。當(dāng)涂料為三氧化二鐵和氧化鋯組合時，再生能耗約為1.45kW·hkg活性炭。 (3)直接通電加熱再生裝置。是利用炭自身具有的電阻和炭粒間具有的接觸電阻，使炭產(chǎn)生焦耳熱，逐漸達到再生溫度，再通入水蒸汽進行活化。日本此類再生爐有間歇式和連續(xù)式。圖9為日本連續(xù)式直接通電再生裝置。炭在爐內(nèi)停留6h，再生碘值恢復(fù)率9496，再生損耗率13，采

16、用蒸汽活化，蒸汽量折合電耗為0.5kW·hkg活性炭。脫臭電耗0.05 kW·hkg活性炭。再生電耗1 kW·hkg 活性炭，總能耗為1.59kW·hkg活性炭。 圖10所示為國內(nèi)研制的直接通電加熱再生裝置，為二段式連續(xù)再生裝置，再生飲用水深度處理后的飽和炭。干燥段由電加熱室將空氣加熱至200，而后熱空氣進入流化床干燥器底部，將濕炭干燥1 h，使?jié)裉亢?干基)由76降至6，耗電1.55 kW·hkg活性炭，干炭再進入有效斷面0.1m×0.1m，有效高度為30 m的直接通電加熱再生爐，停留時間14 min，完成焙燒、活化。耗電0.2

17、2 kW·hkg 活性炭，總耗電量為177kW·hkg活性炭。碘吸附恢復(fù)率可達9698，再生總損耗率為3，1976年運行至今情況良好。 圖9 連續(xù)式直接通電再生裝置圖10 帶有干燥器的直接通電加熱再生裝置3 放電高溫加熱再生法 3.1 方法簡介 這是一種與傳統(tǒng)高溫加熱再生方法完全不同的再生方法。傳統(tǒng)方法是在密閉條件下，通過爐體間接或在爐內(nèi)空間直接向活性炭加熱，使炭由表及里地逐漸升溫，最后達到850高溫并通入水蒸汽。國外學(xué)者認為通常的加熱再生升溫速度不能超過10min，以防炭基質(zhì)燒損，因此再生全過程長達6h。 而該方法是讓炭自身迅速升溫，使干燥、焙燒、活化三個階段在510 m

18、in內(nèi)迅速完成。不需要在密閉條件下操作，不需要通入水蒸汽活化。在達到高溫850情況下可與空氣接觸，自然冷卻，不至于全部灰化。其強度也不受影響，炭損耗率<2，碘吸附恢復(fù)率95100。放電再生法不僅效率高，能耗也低。干炭(干基含水率6左右)再生電耗僅0.180.20 kW·hkg活性炭。濕炭(干基含水率約86)再生全過程電耗約08kW·hkg活性炭，此電耗值是多層耙式爐能耗的17，是熱回收移動床再生爐能耗的15；是熱不回收移動床再生爐能耗的110；是直接通電式二段爐能耗的12。 放電高溫加熱再生法與直接通電式再生法的類同點是利用了炭自身導(dǎo)電性并具有電阻這一特性。但放電高溫

19、加熱再生是控制能量，使其強制形成脈沖電孤，對被再生的炭進行放電，放電頻率在3 000 次min左右，使再生全過程在510 min完成，再生溫度達到800900。 國內(nèi)研制成功的活性炭強制放電再生方法及裝置(發(fā)明專利號85100619A)已應(yīng)用在黃金礦山、熱電廠、啤酒、飲料、化工等行業(yè)的活性炭再生多年，其原理見圖11。再生量為100 kgh的強制放電再生爐平面尺寸僅為1.6 m×2.0m，高度為2.5m。近年來放電高溫再生方法又有新的創(chuàng)新-活性炭調(diào)頻放電脈動再生裝置 (專利號 ZL012109576)，使放電高溫再生裝置效率更高，體積更小，再生量為100kgh的再生爐子面尺寸僅為 1.

20、3 m×l.2 m，高度僅2.0 m。是一種值得推廣的活性炭再生裝置。 圖11 活性炭強制放電再生裝置原理3.2 放電過程的功能 放電再生所以具有卓越效果，在于放電過程中有下述功能： (1)高溫使吸附的有機物迅速氣化、碳化。 (2)放電孤隙中的氣體熱游離和電錘效應(yīng)，使活性炭吸附物被瞬間電離而分解。 (3)放電形成的紫外線，使炭粒間空氣中的氧有部分產(chǎn)生臭氧，對吸附物起放電氧化作用。 (4)吸附水在瞬間成為過熱水蒸汽，與碳化物進行水性氧化反應(yīng)。 3.3 再生效果比較 放電高溫加熱再生與多層式、移動床式再生裝置的效果進行了下述比較： (1)與多層式再生爐(8層)的效果比較。對于芳香族化合物

21、的代表苯酚，碳化殘留物較多，通常認為必須由水蒸汽活化才能去除，經(jīng)放電再生法重復(fù)再生15次(吸附量100120 mgg活性炭，再生時間7min)，每次再生后強度測定值同于新炭，碘值吸附恢復(fù)率97.1，酚值吸附恢復(fù)率97.2。美國波莫納(Pomono)用多層式再生爐(8層)再生30 min，過熱水蒸汽活化，再生溫度850950，對生活污水深度處理中使用過的活性炭，重復(fù)再生9次，其碘吸附率均為95，強度由78下降至63.7。 (2)與移動床式再生爐的效果比較。用于煉油工業(yè)廢水三級處理的活性炭，經(jīng)移動床式再生爐再生后的效果，與放電再生法的再生效果比較列于表1。由表1可見放電再生法再生時間僅95 min，而再生炭的碘值、酚值、亞甲基蘭值吸附性能的恢復(fù)卻優(yōu)于再生6h，并用過熱水蒸汽活化的移動床式再生爐 (兩種再生裝置的試驗用炭均為同種飽和炭)。 表1 強制放電再生法與移動床式再生爐再生效果比較碳樣再生前移動床式爐再生后強制放電再生后再生加熱溫度C約850850再生加熱時間6小時(水蒸氣活化)9.