活性炭再生及新技术研究

活性炭再生及新技術研究

摘要〆活性炭是一種大量消耗資源的產品，其再生工藝分為藥劑洗脫的化學法、生物再生法、濕式氧化法、電解氧化法、加熱再生法等。介紹了一種新型的高溫加熱再生方法--放電高溫加熱再生法，它能夠在5～10 min完成升溫、乾燥、焙燒、活化的過程，使活性炭達到再生，炭損耗率小於2％，碘吸附恢復卑達到95％。

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濟價值。活性炭再生(或稱活化)，是指用物理或化學方法在不破壞活性炭原有結構的前提下，將吸附於活性炭微孔的吸附質子以去除，恢復其吸附性能，達到重複使用目的。

1 活性炭再生的幾種方法

1〃1 藥劑洗脫的化學法

對於高濃度、低沸點的有機物吸附質，應首先考慮化學法再生。

(1)無機藥劑再生。是指用無機酸(硫酸、鹽酸) 或鹼(氫氧化鈉)等藥劑使吸附質脫除，又稱酸鹼再生法。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。

(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。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後的飽和炭也可用有機溶劑再生。

採用藥劑洗脫的化學再生法，有時可從再生液中回收有用的物質，再生操作可在吸附塔內進行，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率，多次再生後吸附性能明顯降低。

1〃2 生物再生法

利用經過馴化培養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並氧化分解成C02 和H20，恢復其吸附性能，這種利用微生物再生飽和炭的方法，僅適用於吸附易被微生物分解的有機物的飽和炭，而且分解反應必須徹底，即有機物最終被分解為C02和H20，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柱串聯運行，再生運行時4柱並聯操作。

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，同時發揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用，這種協同作用的水處理技術稱為生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)。這種方法可使活性炭使用週期比通常的吸附週期延長多倍，但使用一定時期後，被活性炭吸附而

難生物降解的那部分物質仍將影響出水水質。因此在飲用水深度處理運行中，過

長的活性炭吸附週期將難以保證出水水質，定期更換活性炭是必須的。

1〃3濕式氧化法

這種再生法通常用於再生粉末活性炭，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200～250℃，通入空氣加壓至(300～700) X104P，，在反應塔內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。再生後的炭經熱交換器冷卻後，送入儲炭槽再回用。有機物碳化後的灰分在反應器底部集積後定期排放。

濕式氧化法適宜處理毒性高、生物難降解的吸附質。溫度和壓力須根據吸附質特性而定，因為這直接影響炭的吸附性能恢復率和炭的損耗。這種再生法的再生系統附屬設施多，所以操作較麻煩。

1〃4 電解氧化法

利用電解時產生的新生態[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用。1〃5 加熱再生法

根據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)低溫加熱再生法。對於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100～200℃蒸汽吹脫使炭再生，再生可在吸附塔內進行。脫附後的有機物蒸汽經冷凝後可回收利用。常用於氣體吸附的活性炭再生。蒸汽吹脫方法也用於啤酒、飲料行業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，且吸附週期長。高溫加熱再生法通常經過850℃高溫加熱，使吸附在活性炭上的有機物經碳化、活化後達到再生目的，吸附恢復率高、且再生效果穩定。因此，對用於水處理的活性炭的再生，普遍採用高溫加熱法。

經脫水後的活性炭，加熱再生全過程一般需經過下述3個階段。

(1)乾燥階段。將含水率在50％～86％的濕炭，在100-150℃溫度下加熱，使炭粒內吸附水蒸發，同時部分低沸點有機物也隨之揮發。在此階段內所消耗熱量占再生全過程總能耗的50％一70％。

(2)焙燒階段，或稱碳化階段。粒炭被加熱升溫至150～700℃。不同的有機物隨溫度升高，分別以揮發、分解、碳化、氧化的形式，從活性炭的基質上消除。通常到此階段，再生炭的吸附恢復率已達到60％～85％。

(3)活化階段。有機物經高溫碳化後，有相當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，使殘留碳化物在850℃左右氣化成C02，CO等氣體。使微孔表面得到清理，恢復其吸附性能。

殘留碳化物與氧化性氣體的反應式如下〆

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溫度和再生效果。因此，一般的高溫加熱再生爐內對氧必須嚴格控制，余氧量小於1％，CO含量為2〃5％左右，水蒸汽注入量為0〃2-1 kg／kg活性炭(根據爐型確定)。

活性炭再生設備的優劣主要體現在〆吸附恢復率、炭損率、強度、能量消耗、輔料消耗、再生溫度、再生時間、對人體和環境的影響、設備及基礎投資、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、燒結成塊並造成局部起火或堵塞通道，甚至導致運行癱瘓的現象。

2 高溫加熱再生的幾種裝置

高溫加熱活性炭再生系統，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。目前國內外使用較多的有多層式、回轉式、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。主要用於再生粒狀炭，在美國採用較普遍，國內也有引進。適用於大型活性炭再生，一般再生量都大於2t／d。其特點為〆用天然氣或油作燃料，水蒸汽活化，由爐頂部供飽和炭，用轉動的粑臂將炭推送至下一層，由上至下6層(或8層)，見圖4。冷卻空氣1哪置

(1)乾燥段。第1～3層，停留時間15min，爐溫100～700℃。

(2)焙燒段。第4層，停留時間5 mln，爐溫700 ～800℃

(3)活化段。第5～6層，停留時間10min，爐溫800～900℃。此段內通水蒸汽活化。

再生炭用水槽急冷後排走。再生炭碘值恢復率86％一95％，炭再生損耗率7％～15％

(因為既有燒損又有轉耙磨耗)。蒸汽耗量1 kg／kg活性炭，總能耗4 925 kcal／kg 活性炭(折合電耗5〃72 kW?h／kg 活性炭)。

2〃2 回轉式

又稱轉爐，有一段式或二段式，有內燃式直接加熱或外燃式間接加熱。內燃式炭再生損耗較大，外燃式效率較低，活化段須微正壓且通水蒸汽活化。圖5為二段回轉式再生裝置，乾燥段用內燃式轉爐，焙燒、活化段用外燃式轉爐。燃燒

回轉式再生裝置操作較簡單，一段式轉爐爐體長達15m，所以爐體往往要變形，活化段溫度升至750℃後不易再上升，再生恢復率與達到的最高溫度有關。停留時間3～4 h，炭再生損耗率5％～7％，總能耗7 899 kcal／kg活性炭(折合電耗9〃18 kW?h／kg活性炭)。

2〃3 流化床式

又稱流化床再生爐，有內燃式及外燃式兩種，有一段或多段。國外用於再生粉末炭及球形炭。

燃燒重油或煤氣，並從爐底通入水蒸汽，使炭呈流化狀態。活性炭自上而下流動，完成乾燥、焙燒、活化(800～900℃)。圖6為二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調節困難，再生損耗率7％～10％，再生時間7～10h，總能耗3 326～11 341 kcal／kg活性炭)(折合電耗3〃87～13〃18 kW，h／kg活性炭)。

2〃4 移動床式

又稱立式移動床再生爐(見圖7)。再生部分由兩層不鏽鋼管組成，炭自上而下在兩管隔層中移動，內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。外管與燃燒室接觸，將熱量傳導至活性炭，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。這種爐型構造簡單、操作管理較方便，由於再生時間長達6h，所以爐體高12m，水蒸汽量為0〃2kz／kg活性炭)，燃氣溫度入口1 000℃，出口70～80℃，再生損耗3％～4％，總能耗約6 950 kcal／kg活性炭(折合電耗8〃07 kW?h／kg活性炭)，熱回收型總能耗3 360 kcal／kg活性炭(折合電耗3〃9kW?h／kg活性炭)。

國內研製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1 110～1 300℃，熱量從料盤及料盤縫隙傳至活性炭，水蒸汽自爐底通入。活性炭在爐膛內得到再生。

2〃5 電加熱再生裝置

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(或速調管)通過電壓的週期性變動而產生，使微波吸收體的內部極性分子高速反覆運動產生熱能。再生爐體為微波諧振膛。用於乾燥或加熱工藝的微波頻率為970 MHz及2450 MHz兩種。微波再生的優點是微波使炭自身發熱，加熱速度快，可迅速達到再生要求的高溫，裝置體積小。缺點是爐膛內加熱不易均勻(微波能量吸收不均

勻)，有時產生炭燒結現象。此外，微波輻射需要較好的屏蔽，當漏能功率大於0〃01 w／cm2，接觸時間在6min以上時，對人體的健康有損害。在微波產生、輸送過程中，磁控管本身消耗30％～40％的功率，再生能耗一般為1〃46kW，h ／kR活性炭。

(2)遠紅外線再生裝置。遠紅外線加熱，一般用於乾燥活性炭，也有用於再生的，其效果取決於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塗料，二者輻射波長的匹配將直接影響加熱效率。當塗料為三氧化二鐵和氧化鋯組合時，再生能耗約為1〃45kW，h／kg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式。圖9為日本連續式直接通電再生裝置。炭在爐內停留6h，再生碘值恢復率94％～96％，再生損耗率1％一3％，採用蒸汽活化，蒸汽量折合電耗為0〃5kW?h／ks活性炭。脫臭電耗0〃05 kW?h／kg活性炭。再生電耗1 kW?h／kg 活性炭，總能耗為1〃59kW?h／kg活性炭。

圖10所示為國內研製的直接通電加熱再生裝置，為二段式連續再生裝置，再生飲用水深度處理後的飽和炭。乾燥段由電加熱室將空氣加熱至200℃，而後熱空氣進入流化床乾燥器底部，將濕炭乾燥1 h，使濕炭含水量(乾基)由76％降至6％，耗電1〃55 kW?Vkg活性炭，乾炭再進入有效斷面0〃1mX0〃1m，有效高度為3〃0 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〃22 kW?h／kg 活性炭，總耗電量為1〃77kW?h／kg活性炭。碘吸附恢復率可達96％～98％，再生總損耗率為3％1976年運行至今情況良好。

3 放電高溫加熱再生法

3〃1 方法簡介

這是一種與傳統高溫加熱再生方法完全不同的再生方法。傳統方法是在密閉條件下，通過爐體間接或在爐內空間直接向活性炭加熱，使炭由表及裡地逐漸升溫，最後達到850℃高溫並通入水蒸汽。國外學者認為通常的加熱再生升溫速度不能超過10 ℃／mid，以防炭基質燒損，因此再生全過程長達6h。

而該方法是讓炭自身迅速升溫，使乾燥、焙燒、活化三個階段在5～10 min 內迅速完成。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，不至於全部灰化。其強度也不受影響，炭損耗率<2％，碘吸附恢復率95％一100％。放電再生法不僅效率高，能耗也低。乾炭(乾基含水率6％左右)再生電耗僅0〃18～0〃20 kW?h／kg活性炭。濕炭(乾基含水率約86％)再生全過程電耗約0〃8kW?h／kg活性炭，此電耗值是多層耙式爐能耗的1／7，是熱回收移動床再生爐能耗的1／5々是熱不回收移動床再生爐能耗的1／10々是直接通電式二段爐能耗的1／2。

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電性並具有電阻這一特性。但放電高溫加熱再生是控制能量，使其強制形成脈衝電孤，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5～10 min完成，再生溫度達到800-900℃。

國內研製成功的活性炭強制放電再生方法及裝置(發明專利號85100619〃A)已應用在黃金礦山、熱電廠、啤酒、飲料、化工等行業的活性炭再生多年，其原理見圖11。再生量為100 ks／h的強制放電再生爐平面尺寸僅為1〃6 mX2〃0m，高度為2〃5m。近年來放電高溫再生方法又有新的創新--活性炭調頻放電脈動再生裝置(專利號ZL01210957〃6)，使放電高溫再生裝置效率更高，體積更小，再生量為100kg／h的再生爐子面尺寸僅為1〃3 mXl〃2 m，高度僅2〃0 m。是一種值得推廣的活性炭再生裝置。

3.2 放電過程的功能

放電再生所以具有卓越效果，在於放電過程中有下述功能〆

(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，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。

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〆

(1)與多層式再生爐(8層)的效果比較。對於芳香族化合物的代表苯酚，碳化殘留物較多，通常認為必須由水蒸汽活化才能去除，經放電再生法重複再生15次(吸附量100～120 mg／z活性炭，再生時間7min)，每次再生後強度測定值同於新炭，碘值吸附恢復率97〃1％，酚值吸附恢復率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850-950℃，對生活污水深度處理中使用過的活性炭，重複再生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。用於煉油工業廢水三級處理的活性炭，經移動床式再生爐再生後的效果，與放電再生法的再生效果比較列於表1。由表1可見放電再生法再生時間僅9〃5 min，而再生炭的碘值、酚值、亞甲基蘭值吸附性能的恢復卻優於再生6h，並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)。

(3)用於飲用水深度淨化的炭再生後的效果。表2所列系用於飲用水深度淨化的炭經放電再生後吸附性能恢復情況。

4 結語

(1)對用於水處理的飽和活性炭再生，高溫加熱再生法的再生效果最佳。

(2)高溫加熱再生裝置中，以移動床式、多層式再生裝置再生效果較好。回轉式操作較方便，但再生效果與能達到的最高溫度有關。

(3)以電作能源的加熱再生裝置中，以直接通電式再生裝置較有應用價值。

(4)放電高溫加熱再生法具有設備簡單、操作方便、體積小、占地少、電耗低、效率高，不需水蒸汽活化、炭耗少、吸附恢復率高等優點。是一種值得推廣的活性炭再生裝置。

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參考文獻

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圖1 吸附酚的飽和炭無機藥劑再生工藝流程

圖2 有機溶劑再生工藝流程

圖3 生物再生試驗流程

圖4 多層式再生裝置

圖5 二段回轉式再生裝置

圖6 二段外燃式流化床再生裝置

圖7 外燃式立式移動床再生裝置

圖8 盤式再生裝置

圖9 連續式直接通電再生裝置

圖10 帶有幹燥器的直接通電加熱再生裝置

圖11 活性炭強制放電再生裝置原理