活性炭电热原位再生技术研究_杜尔登
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Keywords: Activated carbon; Electro2therm al regeneration; Carbonization; Activation
颗粒活性炭 ( GAC)用于水处理工艺日益增多 , 使用一段时间后 ,其吸附能力下降 ,不可避免地需要 再生 。其再生方法很多 ,针对不同的应用条件 ,国内 外研究人员提出了各种活性炭再生方法 ,如热再生 法 、湿式氧化法 、生物再生法 、电化学再生法 、微波辐 射再生法 、超临界流体再生法等 [ 1 ] 。但是 ,目前只有
2. Chang zhou W u jin W a ter S upply Genera l Com pany, Changzhou 213161, Ch ina)
Abstract: Electro2therm al regeneration of activated carbon is an econom ical technique, which could regenerate activated carbon to its original state w ith low loss of mass. In this study, Electro2thermal regeneration of exhausted activated carbon was tested under different conditions varying in temperature and tim e. The results showed that after five m inutes carbonization at 800 ℃ and followed 30 m inutes activation by vapor, the exhausted activated carbon was greatly regenerated. The recovery rates for iodine adsorp tion value, phenol adsorp tion value, and methylene blue absorp tion value were 95. 9%、99. 2% and 97. 6% respectively, while only 4. 52% of mass were lost. After 4 times of saturated2adsorp tion regeneration cycle, the effectiveness of absorp tion decreased, with 77. 8% of recovery rates for iodine adsorp tion value, 81. 1% for phenol adsorp tion value, and 86. 1% for methylene blue adsorp tion value. The m ass loss increased to 26. 9%. This study indicates that electro2thermal regeneration of activated carbon is p rom ising in small2scale app lication.
将由 10 g新炭制备的干燥饱和炭放入陶瓷套 管 ,为模拟工业应用实际情况 ,将干燥饱和炭浸湿 ,此 时水分质量分数为 68%。通入交流电 ,电压 25 V。
活性炭再生电阻由电极电阻 、活性炭自身电阻 和活性炭接触电阻组成 [ 5 ] 。为减少接触电阻 ,在活 性炭电极上施加一定大小的压力 (1 kPa) ,以增大活 性炭颗粒之间的接触 。活性炭电阻的大小用电阻率 来表征 ,活性炭炭化过程中电阻率和温度随时间的 变化见图 2。
考察图 2、图 3中电阻率的变化 ,可以将其变化 发展分成三个阶段 。
在开始阶段 ,活性炭电阻率较低 ,随着活性炭温 度从室温上升到 100 ℃左右 ,水分不断蒸发 ,活性炭 电阻率增加 ,在此阶段温度将保持 100 ℃,直到水分 蒸发完毕后 ,温度才会继续上升 。在第二阶段 ,活性 炭所含水分已经蒸发 ,活性炭所吸附的污染物不断 解吸、热解 ,导致活性炭电阻率不断增大 ,在 150 ℃左 右电阻率达到最大值 。在第三阶段 ,温度不断增加 ,
1. 3 检测指标
(1) 活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、苯酚吸
附值均参照国家标准 GB / T 7702—1997进行测定。
(2) 活性炭再生恢复率计算公式见式 (1) 。
η恢复率
再生后活性炭的性能指标值 = 新鲜活性炭性能指标值
×100%
(1) 1. 4 试验内容
活性炭热再生通常包含以下过程 : ①100 ℃左 右干燥 ; ②300～700 ℃在惰性条件下炭化 ,活性炭 所吸附的有机物挥发 、热解 ; ③800 ℃在通入弱氧化 性气体 (水蒸气或二氧化碳 )条件下活化 ,去除炭化 残留物 ,恢复活性炭初始孔隙结构和吸附性能 [ 4 ] 。
热再生法在工业上得到较为广泛的应用 [ 2 ] 。 热再生大多是把饱和炭放入再生炉 (回转炉 、
多层炉等 )加热 ,通入蒸汽活化再生 。然而 ,燃烧式 再生炉能源利用率较低 。
电热再生作为一种活性炭再生方法 ,其本质上 属于热再生方式 。它是利用活性炭的导电性 ,通入
28 给水排水 Vo l134 No110 2008
给水排水 Vo l134 No110 2008 29
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
入过热水蒸气作为活化剂进行活化试验 。选择不同 的活化时间 ,活化后冷却 ,称量活性炭质量 ,测量活 性炭的碘吸附值 、亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值 。 2 结果与讨论 2. 1 活性炭再生过程中的电阻率变化
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电流 ,以活性炭作为电阻 ,产生焦耳热 ,逐渐达到再 生温度 ,然后通入过热水蒸气进行活化 ,从而实现活 性炭的再生 。
活性炭电热再生试验装置见图 1。
1 不锈钢电极 2 热电偶 3 陶瓷套管 4 电流表 5 电压表 6 交流电源 7 水蒸气预热管 8 蠕动泵
图 1 电热再生装置示意
主反应区为一耐高温陶瓷套管 ,活性炭置于管 内 ,瓷管两头装有不锈钢电极片 ,整个陶瓷套管处于 密封状态 ,避免再生时空气进入 ,氧化活性炭 ,造成 活性炭灰化 。
1. 2. 2 活性炭的清洗 将活性炭用去离子水煮沸 15 m in,去掉粉尘和
残渣 ,冷却后重复清洗 3次 ,在 105 ℃恒温干燥箱中 烘干至恒重 。
1. 2. 3 饱和活性炭制备过程 准确称取 10 g干燥新鲜活性炭 ,放入带塞锥形
瓶中 ,加入浓度为 10 000 mg /L 的苯酚溶液 200 mL , 塞好瓶塞 ,在 20 ℃恒温摇床中振荡 ,振荡频率 200 r/m in,振荡 24 h后取出 ,于 105 ℃恒温干燥箱中干 燥 12 h 至恒重 , 冷却后称量 , 此时饱和炭质量为 11. 897 g,活性炭苯酚吸附值为 189. 7 mg / g,室温放 在玻璃干燥器中备用 。
活性炭电热原位再生技术研究
杜尔登 1 张玉先 1 沈亚辉 2
(1 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 ,上海 200092; 2 常州市武进供水总公司 ,常州 213161)
摘要 活性炭电热再生能耗利用率高 ,而且可以实现原位再生 ,避免炭转移质量损失 。以饱和 吸附苯酚的活性炭为研究对象 ,电热再生饱和活性炭 ,考察在不同温度 、活化时间等条件下的再生效 果 。结果表明 , 800 ℃炭化 5 m in后通入水蒸气活化 30 m in,活性炭基本恢复其吸附性能 ,碘吸附值 、 苯酚吸附值 、亚甲基蓝吸附值的恢复率分别为 95. 9%、99. 2%、97. 6% ,再生质量损失率为 4. 52%。 活性炭吸附饱和循环再生 4次 ,吸附性能下降 ,碘吸附值 、苯酚吸附值 、亚甲基蓝吸附值恢复率分别 为 77. 8%、81. 1%、86. 1% ,而再生质量损失率增加 ,为 26. 9%。活性炭电热再生在进行小规模活性 炭再生方面具有良好的应用前景 。
热电偶 ( TES21300)用于测量瓷管内温度 ;水通 过蠕动泵 (BT2100)以一定流量进入水蒸气预热管 , 生成过热蒸汽 ,再通入陶瓷套管中活化活性炭 。 1. 2 饱和活性炭制备
本试验选用上海活性炭厂生产的煤质活性炭作
为吸附剂 ,颗粒大小为 12～40目 (0. 5～1. 7 mm ) 。 1. 2. 1 活性炭新炭各项性能指标 (见表 1)
图 2 炭化过程中活性炭电阻率和温度随时间变化
Fengdong Yu[ 5 ]指出活性炭自身电阻率的大小 和温度存在一定的线性关系 ,温度越高 ,电阻率越 低 。在活性炭升温过程中 ,活性炭电阻率变化受到 两个主要因素的影响 :一是随着温度上升 ,电阻率下 降 ;另外随着活性炭所含水分的解吸和吸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ污染物 的解吸 、热解 ,电阻率上升 。图 2、图 3 中电阻率的 变化就是这两种因素竞争的结果 。
电热再生可以进行原位再生 ,避免炭转移质量 损失 ,减轻劳动量 ;此外电热再生的能耗利用率高于 燃烧式 ,相同处理规模的电热再生炉的能耗通常为 燃烧型再生炉能耗的 5%左右 ,因此电热再生具有 很好的应用前景 。目前 ,许多小规模使用的活性炭 往往最后没有被再生利用而被丢弃 ,因此电热再生 技术在一定程度上可以满足小规模活性炭再生的要 求 [3]。
图 3 活性炭炭化热解阶段电阻率随温度变化
活性炭所吸附的污染物大部分解吸、热解 ,温度成为 电阻率的主要影响因素 ,活性炭电阻率大幅度下降。 2. 2 活性炭炭化
关键词 活性炭 电热再生 炭化 活化
Study on electro2therma l in2situ regenera tion of activa ted carbon
D u Erdeng1 , Zhang Yuxian1 , Shen Yahui2
( 1. S ta te Key L abora tory of Pollu tion Con trol and R esou rce R euse, Tong ji U n iversity, S hangha i 200092, Ch ina;
本试验主要分两个部分 。
首先是炭化热解试验 ,通电后活性炭分别被加 热到 600 ℃、700 ℃、800 ℃,不通入水蒸气 ,在上述 三个温度下分别保持 5 m in、15 m in、30 m in、45 m in, 冷却后称量活性炭质量 ,测量活性炭的碘吸附值 、亚 甲基蓝吸附值和苯酚吸附值 。
其次 ,在炭化热解试验的基础上 ,选择合适的炭 化热解温度和时间 ,在一定温度炭化一段时间后 ,通
表 1 活性炭新炭物理特征及吸附性能指标
颗粒大 小 /mm
装填密 度 / g /L
亚甲蓝 吸附值
碘吸 附值
灰分 /%
/mg/ g /mg / g
强度 孔容积 比表面 / % / cm3 / g 积 /m2 / g
0. 5～1. 7 493. 2 165. 1 951 12. 5 88. 2 0. 73 1 105. 7
尽管活性炭热再生得到广泛的应用 ,但是其再 生过程和机理仍需深入研究 ,再生条件有待进一步 优化 。本试验目的就是以吸附饱和苯酚的活性炭为 研究对象 ,电热再生饱和活性炭 ,考察在不同温度和 活化时间等条件下的再生效果 ,为活性炭再生条件 的优化提供一定的参考 ,为活性炭电热再生技术的 应用提供技术支持 。 1 试验装置与方法 1. 1 装置
颗粒活性炭 ( GAC)用于水处理工艺日益增多 , 使用一段时间后 ,其吸附能力下降 ,不可避免地需要 再生 。其再生方法很多 ,针对不同的应用条件 ,国内 外研究人员提出了各种活性炭再生方法 ,如热再生 法 、湿式氧化法 、生物再生法 、电化学再生法 、微波辐 射再生法 、超临界流体再生法等 [ 1 ] 。但是 ,目前只有
2. Chang zhou W u jin W a ter S upply Genera l Com pany, Changzhou 213161, Ch ina)
Abstract: Electro2therm al regeneration of activated carbon is an econom ical technique, which could regenerate activated carbon to its original state w ith low loss of mass. In this study, Electro2thermal regeneration of exhausted activated carbon was tested under different conditions varying in temperature and tim e. The results showed that after five m inutes carbonization at 800 ℃ and followed 30 m inutes activation by vapor, the exhausted activated carbon was greatly regenerated. The recovery rates for iodine adsorp tion value, phenol adsorp tion value, and methylene blue absorp tion value were 95. 9%、99. 2% and 97. 6% respectively, while only 4. 52% of mass were lost. After 4 times of saturated2adsorp tion regeneration cycle, the effectiveness of absorp tion decreased, with 77. 8% of recovery rates for iodine adsorp tion value, 81. 1% for phenol adsorp tion value, and 86. 1% for methylene blue adsorp tion value. The m ass loss increased to 26. 9%. This study indicates that electro2thermal regeneration of activated carbon is p rom ising in small2scale app lication.
将由 10 g新炭制备的干燥饱和炭放入陶瓷套 管 ,为模拟工业应用实际情况 ,将干燥饱和炭浸湿 ,此 时水分质量分数为 68%。通入交流电 ,电压 25 V。
活性炭再生电阻由电极电阻 、活性炭自身电阻 和活性炭接触电阻组成 [ 5 ] 。为减少接触电阻 ,在活 性炭电极上施加一定大小的压力 (1 kPa) ,以增大活 性炭颗粒之间的接触 。活性炭电阻的大小用电阻率 来表征 ,活性炭炭化过程中电阻率和温度随时间的 变化见图 2。
考察图 2、图 3中电阻率的变化 ,可以将其变化 发展分成三个阶段 。
在开始阶段 ,活性炭电阻率较低 ,随着活性炭温 度从室温上升到 100 ℃左右 ,水分不断蒸发 ,活性炭 电阻率增加 ,在此阶段温度将保持 100 ℃,直到水分 蒸发完毕后 ,温度才会继续上升 。在第二阶段 ,活性 炭所含水分已经蒸发 ,活性炭所吸附的污染物不断 解吸、热解 ,导致活性炭电阻率不断增大 ,在 150 ℃左 右电阻率达到最大值 。在第三阶段 ,温度不断增加 ,
1. 3 检测指标
(1) 活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、苯酚吸
附值均参照国家标准 GB / T 7702—1997进行测定。
(2) 活性炭再生恢复率计算公式见式 (1) 。
η恢复率
再生后活性炭的性能指标值 = 新鲜活性炭性能指标值
×100%
(1) 1. 4 试验内容
活性炭热再生通常包含以下过程 : ①100 ℃左 右干燥 ; ②300～700 ℃在惰性条件下炭化 ,活性炭 所吸附的有机物挥发 、热解 ; ③800 ℃在通入弱氧化 性气体 (水蒸气或二氧化碳 )条件下活化 ,去除炭化 残留物 ,恢复活性炭初始孔隙结构和吸附性能 [ 4 ] 。
热再生法在工业上得到较为广泛的应用 [ 2 ] 。 热再生大多是把饱和炭放入再生炉 (回转炉 、
多层炉等 )加热 ,通入蒸汽活化再生 。然而 ,燃烧式 再生炉能源利用率较低 。
电热再生作为一种活性炭再生方法 ,其本质上 属于热再生方式 。它是利用活性炭的导电性 ,通入
28 给水排水 Vo l134 No110 2008
给水排水 Vo l134 No110 2008 29
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
入过热水蒸气作为活化剂进行活化试验 。选择不同 的活化时间 ,活化后冷却 ,称量活性炭质量 ,测量活 性炭的碘吸附值 、亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值 。 2 结果与讨论 2. 1 活性炭再生过程中的电阻率变化
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
电流 ,以活性炭作为电阻 ,产生焦耳热 ,逐渐达到再 生温度 ,然后通入过热水蒸气进行活化 ,从而实现活 性炭的再生 。
活性炭电热再生试验装置见图 1。
1 不锈钢电极 2 热电偶 3 陶瓷套管 4 电流表 5 电压表 6 交流电源 7 水蒸气预热管 8 蠕动泵
图 1 电热再生装置示意
主反应区为一耐高温陶瓷套管 ,活性炭置于管 内 ,瓷管两头装有不锈钢电极片 ,整个陶瓷套管处于 密封状态 ,避免再生时空气进入 ,氧化活性炭 ,造成 活性炭灰化 。
1. 2. 2 活性炭的清洗 将活性炭用去离子水煮沸 15 m in,去掉粉尘和
残渣 ,冷却后重复清洗 3次 ,在 105 ℃恒温干燥箱中 烘干至恒重 。
1. 2. 3 饱和活性炭制备过程 准确称取 10 g干燥新鲜活性炭 ,放入带塞锥形
瓶中 ,加入浓度为 10 000 mg /L 的苯酚溶液 200 mL , 塞好瓶塞 ,在 20 ℃恒温摇床中振荡 ,振荡频率 200 r/m in,振荡 24 h后取出 ,于 105 ℃恒温干燥箱中干 燥 12 h 至恒重 , 冷却后称量 , 此时饱和炭质量为 11. 897 g,活性炭苯酚吸附值为 189. 7 mg / g,室温放 在玻璃干燥器中备用 。
活性炭电热原位再生技术研究
杜尔登 1 张玉先 1 沈亚辉 2
(1 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 ,上海 200092; 2 常州市武进供水总公司 ,常州 213161)
摘要 活性炭电热再生能耗利用率高 ,而且可以实现原位再生 ,避免炭转移质量损失 。以饱和 吸附苯酚的活性炭为研究对象 ,电热再生饱和活性炭 ,考察在不同温度 、活化时间等条件下的再生效 果 。结果表明 , 800 ℃炭化 5 m in后通入水蒸气活化 30 m in,活性炭基本恢复其吸附性能 ,碘吸附值 、 苯酚吸附值 、亚甲基蓝吸附值的恢复率分别为 95. 9%、99. 2%、97. 6% ,再生质量损失率为 4. 52%。 活性炭吸附饱和循环再生 4次 ,吸附性能下降 ,碘吸附值 、苯酚吸附值 、亚甲基蓝吸附值恢复率分别 为 77. 8%、81. 1%、86. 1% ,而再生质量损失率增加 ,为 26. 9%。活性炭电热再生在进行小规模活性 炭再生方面具有良好的应用前景 。
热电偶 ( TES21300)用于测量瓷管内温度 ;水通 过蠕动泵 (BT2100)以一定流量进入水蒸气预热管 , 生成过热蒸汽 ,再通入陶瓷套管中活化活性炭 。 1. 2 饱和活性炭制备
本试验选用上海活性炭厂生产的煤质活性炭作
为吸附剂 ,颗粒大小为 12～40目 (0. 5～1. 7 mm ) 。 1. 2. 1 活性炭新炭各项性能指标 (见表 1)
图 2 炭化过程中活性炭电阻率和温度随时间变化
Fengdong Yu[ 5 ]指出活性炭自身电阻率的大小 和温度存在一定的线性关系 ,温度越高 ,电阻率越 低 。在活性炭升温过程中 ,活性炭电阻率变化受到 两个主要因素的影响 :一是随着温度上升 ,电阻率下 降 ;另外随着活性炭所含水分的解吸和吸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ污染物 的解吸 、热解 ,电阻率上升 。图 2、图 3 中电阻率的 变化就是这两种因素竞争的结果 。
电热再生可以进行原位再生 ,避免炭转移质量 损失 ,减轻劳动量 ;此外电热再生的能耗利用率高于 燃烧式 ,相同处理规模的电热再生炉的能耗通常为 燃烧型再生炉能耗的 5%左右 ,因此电热再生具有 很好的应用前景 。目前 ,许多小规模使用的活性炭 往往最后没有被再生利用而被丢弃 ,因此电热再生 技术在一定程度上可以满足小规模活性炭再生的要 求 [3]。
图 3 活性炭炭化热解阶段电阻率随温度变化
活性炭所吸附的污染物大部分解吸、热解 ,温度成为 电阻率的主要影响因素 ,活性炭电阻率大幅度下降。 2. 2 活性炭炭化
关键词 活性炭 电热再生 炭化 活化
Study on electro2therma l in2situ regenera tion of activa ted carbon
D u Erdeng1 , Zhang Yuxian1 , Shen Yahui2
( 1. S ta te Key L abora tory of Pollu tion Con trol and R esou rce R euse, Tong ji U n iversity, S hangha i 200092, Ch ina;
本试验主要分两个部分 。
首先是炭化热解试验 ,通电后活性炭分别被加 热到 600 ℃、700 ℃、800 ℃,不通入水蒸气 ,在上述 三个温度下分别保持 5 m in、15 m in、30 m in、45 m in, 冷却后称量活性炭质量 ,测量活性炭的碘吸附值 、亚 甲基蓝吸附值和苯酚吸附值 。
其次 ,在炭化热解试验的基础上 ,选择合适的炭 化热解温度和时间 ,在一定温度炭化一段时间后 ,通
表 1 活性炭新炭物理特征及吸附性能指标
颗粒大 小 /mm
装填密 度 / g /L
亚甲蓝 吸附值
碘吸 附值
灰分 /%
/mg/ g /mg / g
强度 孔容积 比表面 / % / cm3 / g 积 /m2 / g
0. 5～1. 7 493. 2 165. 1 951 12. 5 88. 2 0. 73 1 105. 7
尽管活性炭热再生得到广泛的应用 ,但是其再 生过程和机理仍需深入研究 ,再生条件有待进一步 优化 。本试验目的就是以吸附饱和苯酚的活性炭为 研究对象 ,电热再生饱和活性炭 ,考察在不同温度和 活化时间等条件下的再生效果 ,为活性炭再生条件 的优化提供一定的参考 ,为活性炭电热再生技术的 应用提供技术支持 。 1 试验装置与方法 1. 1 装置