羅碧輝，聶 欣，占 戈

杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州 310018

1 概述

活性炭吸附工藝作為一種性能優(yōu)異的深度水處理工藝，相對于傳統(tǒng)水處理工藝，該工藝能有效地去除水中污染物，并能使水突變活性大為降低，保證飲用水的安全。因此越來越多的水廠采用活性炭吸附工藝，但該工藝的投入較高，且活性炭價格昂貴。若引入活性炭再生技術(shù)的話，不僅能大力推廣活性炭水處理技術(shù)，更能促進(jìn)發(fā)展水資源節(jié)約型循環(huán)經(jīng)濟(jì)，為我國水資源的合理開發(fā)利用做出重大的貢獻(xiàn)。

活性炭再生技術(shù)是指在不破壞活性炭的原有結(jié)構(gòu)前提下，采用物理、化學(xué)或生物化學(xué)等方法使其活性成分重新活化達(dá)到重復(fù)使用目的的操作和方法。目前，活性炭再生工藝技術(shù)主要有：熱再生法[2]、溶劑再生法[3]、電化學(xué)再生法[4]、超臨界流體再生[5]、微波輻照再生法[6]、濕式氧化再生法[7]等。這些方法各有其特點和使用范圍。而在水處理的應(yīng)用中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機(jī)物，且吸附周期長，因此目前大部分水處理活性炭再生工藝采用熱再生法。

熱再生法是目前工藝最為成熟，工業(yè)應(yīng)用最多的活性炭再生方法。其主要原理是活性炭在加熱的條件下，使被吸附的有機(jī)物按性質(zhì)不用分別被解析、碳化和氧化。熱再生法一般具有對吸附質(zhì)基本無選擇性、通用性能好、再生效率高和再生時間短等的優(yōu)點。但也存在一些需要妥善解決的問題，如炭粒相互粘結(jié)、燒結(jié)成塊并造成局部起火或堵塞通道，甚至導(dǎo)致運(yùn)行癱瘓的現(xiàn)象。因此如何改進(jìn)和發(fā)展新型熱再生工藝，在保持其高再生效率的同時減少炭損耗和能耗，提高再生炭吸附性能是目前活性炭熱再生工藝研究的重點所在。

電熱再生技術(shù)作為一種新型活性炭再生技術(shù)，同時采用了熱化學(xué)方法和電化學(xué)方法原理對活性炭進(jìn)行再生，并且具有高再生效率、較低的炭損耗和較低的再生能耗等優(yōu)點，因此具有更為良好的應(yīng)用性能和開發(fā)前景。

2 電熱再生技術(shù)的主要原理

電熱再生技術(shù)主要利用活性炭顆粒流通過導(dǎo)電極板間通道，將流動的活性炭作為導(dǎo)體，直接通電產(chǎn)生焦耳熱，從而獲得高溫加熱再生的效果。此外，由于爐內(nèi)產(chǎn)生的紫外線能使炭粒間隙內(nèi)有限空氣中的氧部分地轉(zhuǎn)化為臭氧，形成局部活化氛圍，從而能夠加速有機(jī)物的解析，達(dá)到加速活性炭再生，改善再生炭性能的目的。

3 試驗裝置簡介及試驗樣品分析

3.1 試驗裝置簡介

活性炭再生試驗裝置基于電熱再生技術(shù)，將爐體設(shè)計為三段式。其系統(tǒng)整個試驗系統(tǒng)主要分為四個部分：給料器、爐體、電源以及溫度采集裝置。

再生爐爐體外層由耐火磚組成，兩側(cè)交替布置有三對石墨電極板和剛玉絕緣板。另外，熱電偶布置在每段絕緣板通道中部，用于顯示每段電極板加熱后活性炭的溫度。再生爐電源系統(tǒng)由三個獨立的直流穩(wěn)壓電源所組成，每個電源均用于單獨控制一對石墨電極板之間的電壓或者電流，其優(yōu)點是采用直流的方式比變頻更加穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電壓。熱電偶在三個測溫點測量出來的溫度通過數(shù)據(jù)采集器顯示在電腦上，可及時地反映溫度變化。爐膛底部設(shè)有一個調(diào)節(jié)閥用于控制爐內(nèi)活性炭的流量。經(jīng)過反復(fù)試驗，并綜合考慮再生效率、炭損耗和能源消耗等因素，該裝置設(shè)計活性炭再生量為75kg/h，主要針對3 萬立方米/日處理能力的小型水廠。

3.2 試驗樣品分析

試驗樣品采用北京第九水廠使用過的飽和炭，該炭的新炭是由寧夏華輝活性炭股份有限公司生產(chǎn)的Y15 型柱狀活性炭，該炭以太西無煙煤為主要原料，廠方提供其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Y15 型柱狀活性炭性質(zhì)(廠方提供)

經(jīng)測量，新炭和飽和炭的主要性質(zhì)參數(shù)如表2 所示。

表2 新炭和飽和炭的主要性質(zhì)參數(shù)

4 試驗結(jié)果及其分析

4.1 再生裝置中活性炭各種參數(shù)對再生過程的影響

由于活性炭電熱再生爐是直接利用活性炭本身作為加熱的載體，因此再生爐內(nèi)活性炭的各種參數(shù)直接關(guān)系到再生效果。在再生爐中，再生工藝過程有四個可變操作參數(shù)以及一個可變樣品性質(zhì)參數(shù)：電壓、電流、溫度、炭粒移動線速度以及飽和炭初始含水量等。

由于顆粒狀活性炭在含水量大的狀態(tài)下，再生能耗較大，因此，在樣品進(jìn)行試驗前先經(jīng)曬干處理，蒸發(fā)掉大量水分，而查閱文獻(xiàn)可知，當(dāng)飽和活性炭含水量在5%以下時，最符合再生工藝要求，能源損耗經(jīng)濟(jì)合理。

如果將干燥后的飽和活性炭自然填充爐體內(nèi)，其電阻值相當(dāng)大。但是通過試驗，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭粒處于移動狀態(tài)時，活性炭的動態(tài)電阻值隨著線移動速度的增大而近似呈線性下降?？紤]到活性炭吸附能力的恢復(fù)主要取決于活化時間與炭粒平均溫度，我們需要選擇合適的移動線速度。通過各項綜合考慮和多次反復(fù)試驗驗證，選定活性炭移動線速度為3.6mm/s。

4.2 再生溫度對再生效果的影響

為了獲取盡可能不破壞活性炭微孔的最高溫度，且能使被吸附物的易于解吸。本工藝裝置經(jīng)過多次反復(fù)試驗，為了檢驗再生效果，我們試驗時選用了碘值、與表征微孔直徑相當(dāng)于10A 的孔隙表面積作為主要鑒定指標(biāo)。

當(dāng)再生溫度為850℃時，再生炭的各項指標(biāo)達(dá)到最好，其碘值恢復(fù)率達(dá)新炭的98%。在700℃～850℃時，碘值隨溫度的升高而增大，超過850℃后就逐漸減小，說明過高的溫度影響活性炭的吸附能力，不適合作為再生溫度。

4.3 保溫時間對再生效果的影響

由上一節(jié)分析結(jié)果可知，保持850℃的控溫時間，對于活性炭顆粒中的吸附有機(jī)物的解吸和微孔恢復(fù)有著積極意義，但溫控時間過長，也會造成炭燒損率增加，并使微孔局部受損、中孔增加，只有正?？刂破浔販乜貢r間，才能既獲得良好的再生效果，又減少不必要的燒損。

根據(jù)設(shè)計和試驗，我們得到實驗結(jié)果，當(dāng)然保溫時間在56s 左右時(即控制炭的移動線速度在3.6mm/s 左右)，可以獲得具有最佳再生效果的再生炭，此時飽和炭的再生率達(dá)到了98.6%，再根據(jù)爐膛加熱段總長，可以推斷出此時再生爐的再生時間約為13.9min。

4.4 冷卻方式對再生效果的影響

關(guān)于冷卻方式，我們進(jìn)行了在貧氧條件下(氮氣氛圍)進(jìn)行自然冷卻的方法和在爐膛出口經(jīng)過水急冷兩種方式對再生炭碘值的影響。通過自然冷卻方式所收集的再生炭再生效果相對較好，而水急冷導(dǎo)致同一再生溫度下再生炭的碘值普遍下降約70mg/g～100mg/g，占總值（按新炭1051 計）的7%～10%，這與Culp 等人的研究結(jié)論相吻合。

4.5 本裝置再生效果及能耗評估

由于活性炭再生損耗占總運(yùn)行成本的30%～45%，因此我們必須特別重視再生收率。活性炭再生損耗主要包括運(yùn)輸過程損耗、干燥過程損耗、再生爐內(nèi)灼燒損耗以及再生炭收集損耗等四個部分。通過測定再生炭與初始新炭的質(zhì)量變化來確定活性炭再生損耗率（簡稱炭損耗率）。實驗結(jié)果表明，1.8t新炭生成的飽和活性炭經(jīng)再生后質(zhì)量損失約為43kg，損耗為2.39%。此外根據(jù)各試驗參數(shù)可計算得：整個再生爐的熱效率為90.5%，且整個再生系統(tǒng)的能耗大概為1 373 大卡/kg。

5 結(jié)論

本項目以電熱再生原理為依據(jù)設(shè)計了一整套新型活性炭再生工藝流程，并搭建了整套設(shè)備，就其工藝參數(shù)和工藝性能展開了一系列試驗研究，最終獲得其最佳操作參數(shù)以及工藝性能。本項目所研制的活性炭再生裝置實用性能良好，能夠很好的滿足我國現(xiàn)有小型水廠的活性炭連續(xù)再生要求，可以直接在水處理行業(yè)推廣應(yīng)用。

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