活性炭再生新型工艺设备的研制

罗碧辉，聂 欣，占 戈

杭州电子科技大学，浙江杭州 310018

1 概述

活性炭吸附工艺作为一种性能优异的深度水处理工艺，相对于传统水处理工艺，该工艺能有效地去除水中污染物，并能使水突变活性大为降低，保证饮用水的安全。因此越来越多的水厂采用活性炭吸附工艺，但该工艺的投入较高，且活性炭价格昂贵。若引入活性炭再生技术的话，不仅能大力推广活性炭水处理技术，更能促进发展水资源节约型循环经济，为我国水资源的合理开发利用做出重大的贡献。

活性炭再生技术是指在不破坏活性炭的原有结构前提下，采用物理、化学或生物化学等方法使其活性成分重新活化达到重复使用目的的操作和方法。目前，活性炭再生工艺技术主要有：热再生法[2]、溶剂再生法[3]、电化学再生法[4]、超临界流体再生[5]、微波辐照再生法[6]、湿式氧化再生法[7]等。这些方法各有其特点和使用范围。而在水处理的应用中，活性炭吸附的多为热分解型和难脱附型有机物，且吸附周期长，因此目前大部分水处理活性炭再生工艺采用热再生法。

热再生法是目前工艺最为成熟，工业应用最多的活性炭再生方法。其主要原理是活性炭在加热的条件下，使被吸附的有机物按性质不用分别被解析、碳化和氧化。热再生法一般具有对吸附质基本无选择性、通用性能好、再生效率高和再生时间短等的优点。但也存在一些需要妥善解决的问题，如炭粒相互粘结、烧结成块并造成局部起火或堵塞通道，甚至导致运行瘫痪的现象。因此如何改进和发展新型热再生工艺，在保持其高再生效率的同时减少炭损耗和能耗，提高再生炭吸附性能是目前活性炭热再生工艺研究的重点所在。

电热再生技术作为一种新型活性炭再生技术，同时采用了热化学方法和电化学方法原理对活性炭进行再生，并且具有高再生效率、较低的炭损耗和较低的再生能耗等优点，因此具有更为良好的应用性能和开发前景。

2 电热再生技术的主要原理

电热再生技术主要利用活性炭颗粒流通过导电极板间通道，将流动的活性炭作为导体，直接通电产生焦耳热，从而获得高温加热再生的效果。此外，由于炉内产生的紫外线能使炭粒间隙内有限空气中的氧部分地转化为臭氧，形成局部活化氛围，从而能够加速有机物的解析，达到加速活性炭再生，改善再生炭性能的目的。

3 试验装置简介及试验样品分析

3.1 试验装置简介

活性炭再生试验装置基于电热再生技术，将炉体设计为三段式。其系统整个试验系统主要分为四个部分：给料器、炉体、电源以及温度采集装置。

再生炉炉体外层由耐火砖组成，两侧交替布置有三对石墨电极板和刚玉绝缘板。另外，热电偶布置在每段绝缘板通道中部，用于显示每段电极板加热后活性炭的温度。再生炉电源系统由三个独立的直流稳压电源所组成，每个电源均用于单独控制一对石墨电极板之间的电压或者电流，其优点是采用直流的方式比变频更加稳定地调节电压。热电偶在三个测温点测量出来的温度通过数据采集器显示在电脑上，可及时地反映温度变化。炉膛底部设有一个调节阀用于控制炉内活性炭的流量。经过反复试验，并综合考虑再生效率、炭损耗和能源消耗等因素，该装置设计活性炭再生量为75kg/h，主要针对3 万立方米/日处理能力的小型水厂。

3.2 试验样品分析

试验样品采用北京第九水厂使用过的饱和炭，该炭的新炭是由宁夏华辉活性炭股份有限公司生产的Y15 型柱状活性炭，该炭以太西无烟煤为主要原料，厂方提供其主要技术参数如表1 所示。

表1 Y15 型柱状活性炭性质(厂方提供)

经测量，新炭和饱和炭的主要性质参数如表2 所示。

表2 新炭和饱和炭的主要性质参数

4 试验结果及其分析

4.1 再生装置中活性炭各种参数对再生过程的影响

由于活性炭电热再生炉是直接利用活性炭本身作为加热的载体，因此再生炉内活性炭的各种参数直接关系到再生效果。在再生炉中，再生工艺过程有四个可变操作参数以及一个可变样品性质参数：电压、电流、温度、炭粒移动线速度以及饱和炭初始含水量等。

由于颗粒状活性炭在含水量大的状态下，再生能耗较大，因此，在样品进行试验前先经晒干处理，蒸发掉大量水分，而查阅文献可知，当饱和活性炭含水量在5%以下时，最符合再生工艺要求，能源损耗经济合理。

如果将干燥后的饱和活性炭自然填充炉体内，其电阻值相当大。但是通过试验，我们发现当炭粒处于移动状态时，活性炭的动态电阻值随着线移动速度的增大而近似呈线性下降。考虑到活性炭吸附能力的恢复主要取决于活化时间与炭粒平均温度，我们需要选择合适的移动线速度。通过各项综合考虑和多次反复试验验证，选定活性炭移动线速度为3.6mm/s。

4.2 再生温度对再生效果的影响

为了获取尽可能不破坏活性炭微孔的最高温度，且能使被吸附物的易于解吸。本工艺装置经过多次反复试验，为了检验再生效果，我们试验时选用了碘值、与表征微孔直径相当于10A 的孔隙表面积作为主要鉴定指标。

当再生温度为850℃时，再生炭的各项指标达到最好，其碘值恢复率达新炭的98%。在700℃～850℃时，碘值随温度的升高而增大，超过850℃后就逐渐减小，说明过高的温度影响活性炭的吸附能力，不适合作为再生温度。

4.3 保温时间对再生效果的影响

由上一节分析结果可知，保持850℃的控温时间，对于活性炭颗粒中的吸附有机物的解吸和微孔恢复有着积极意义，但温控时间过长，也会造成炭烧损率增加，并使微孔局部受损、中孔增加，只有正常控制其保温温控时间，才能既获得良好的再生效果，又减少不必要的烧损。

根据设计和试验，我们得到实验结果，当然保温时间在56s 左右时(即控制炭的移动线速度在3.6mm/s 左右)，可以获得具有最佳再生效果的再生炭，此时饱和炭的再生率达到了98.6%，再根据炉膛加热段总长，可以推断出此时再生炉的再生时间约为13.9min。

4.4 冷却方式对再生效果的影响

关于冷却方式，我们进行了在贫氧条件下(氮气氛围)进行自然冷却的方法和在炉膛出口经过水急冷两种方式对再生炭碘值的影响。通过自然冷却方式所收集的再生炭再生效果相对较好，而水急冷导致同一再生温度下再生炭的碘值普遍下降约70mg/g～100mg/g，占总值（按新炭1051 计）的7%～10%，这与Culp 等人的研究结论相吻合。

4.5 本装置再生效果及能耗评估

由于活性炭再生损耗占总运行成本的30%～45%，因此我们必须特别重视再生收率。活性炭再生损耗主要包括运输过程损耗、干燥过程损耗、再生炉内灼烧损耗以及再生炭收集损耗等四个部分。通过测定再生炭与初始新炭的质量变化来确定活性炭再生损耗率（简称炭损耗率）。实验结果表明，1.8t新炭生成的饱和活性炭经再生后质量损失约为43kg，损耗为2.39%。此外根据各试验参数可计算得：整个再生炉的热效率为90.5%，且整个再生系统的能耗大概为1 373 大卡/kg。

5 结论

本项目以电热再生原理为依据设计了一整套新型活性炭再生工艺流程，并搭建了整套设备，就其工艺参数和工艺性能展开了一系列试验研究，最终获得其最佳操作参数以及工艺性能。本项目所研制的活性炭再生装置实用性能良好，能够很好的满足我国现有小型水厂的活性炭连续再生要求，可以直接在水处理行业推广应用。

[1]张天健.活性炭在我国饮用水处理中的应用研究进展[J].生物质化学工程，2009，43(2)：54-60.

[2]岳宗豪，郑经堂，曲降伟，逯秀.活性炭再生技术研究进展[J].应用化工，2009，38(11)：1667-1670.

[3]翁元声，活性炭再生及新技术研究[J].给水排水，2004，30(1)：86-91.

[4]张会平，傅志鸿.活性炭的电化学再生机理[J].厦门大学学报：自然科学版，2000，39(1)：79-83.

[5]臧志清，周端美.超临界态二氧化碳再生活性炭法治理甲苯废气[J].环境科学研究，1998，11(5)：61-64.

[6]刘靖，史可玉，孙晓芳，沈瑶，刘远，张俊新，刘恒明，刘长发.活性炭微波再生方法研究[J].环境科学导刊，2010，29(2)：1-4.

[7]袁号，陈元彩，何北海.催化湿式氧化法处理桉木CTMP模拟废水[J].环境科学与技术，2009(1)：162-165.