活性炭再生技术研究进展和发展趋势

吴 琪，宋乾武，曾燕艳，代晋国，李 志

（中国环境科学研究院，北京 100012）

活性炭再生技术研究进展和发展趋势

吴 琪，宋乾武，曾燕艳，代晋国，李 志

（中国环境科学研究院，北京 100012）

综述了用于水处理领域的活性炭再生技术研究进展；分析了目前活性炭各种再生方法的优缺点，包括热再生、化学药剂再生、生物再生、电化学再生、超声波再生、催化湿式氧化再生和超临界流体再生等方法；介绍了活性炭再生的多种新技术，认为一种活性炭再生的新方法—超声波+电化学再生法有可能在未来挑战传统技术。

活性炭再生;水处理;电化学;超声波

活性炭再生是将吸附饱和的活性炭通过各种方法恢复其吸附性能，达到重复使用的目的。再生方法主要取决于活性炭的类型和活性炭吸附物质的性质。目前国内外较为成熟的再生方法有三种，即热再生法、化学再生法和生物再生法。但这些方法均存在一定的缺点和局限性：活性炭在再生过程中损失较大，再生后的活性炭存在吸附能力明显下降、机械强度下降、再生过程中的尾气会造成空气污染等问题。所以人们一直试图探索新的更为经济有效的活性炭再生技术，如电化学再生法、超声波再生法、催化湿式氧化再生法及超临界流体再生等。

1 传统活性炭再生技术

1.1 热再生法

热再生法是目前发展历史最长、应用最多、工业上最成熟的活性炭再生方法[1-2]。活性炭热再生法始于20世纪初，当时是采用回转炉对骨炭进行再生；30年代开始引用多层炉；40～50年代再生炉技术已基本成熟；70年代活性炭开始大量应用于水处理领域。

热再生法的原理是在加热条件下，使被吸附的有机物以解析、炭化、氧化的形式从活性炭基质上消除[3]。活性炭热再生一般需要多个步骤：

（1）脱水，即通过机械物理作用将活性炭表面的水分除掉。

（2）干燥，干燥温度一般低于100℃，主要是蒸发孔隙水，少量低沸点的有机物也会被气化。该过程需要大量的蒸发潜热，热再生过程约有50%的能耗是在干燥过程中消耗的。

（3）在约350℃时加热活性炭，使其中的低沸点有机物被分离。

（4）高温炭化，即在约800℃加热活性炭，使大部分有机物分解、气化，或以固定碳的形态残留下来。

使用镉标准液GSB G-62040-90按照岛津原子分光光度仪设定程序建立镉含量与吸光度关系的标准曲线，结果见图1。

（5）活化，即在800℃～1000℃范围内加热活性炭，使残留下来的炭，被水蒸气、二氧化碳或氧气等分解。热再生的步骤根据加热炉种类的不同也稍有差别，但差别不大。

热再生法的优点：再生率较高，可达70%～80%；再生时间短；与化学药品再生法相比，具有很强的通用性；不产生再生废液。缺点：再生后的活性炭损失率较高，一般为5%～10%；炭表面化学结构发生改变，比表面积减小；高温再生对再生炉材料要求高，再生炉设备投资高；再生能耗成本较高；活性炭反复再生会丧失吸附性能。

1.2 化学药剂再生法

高浓度、低沸点的有机物吸附，宜采用化学药剂再生。化学药剂再生主要分为无机药剂再生和有机药剂再生。无机药剂再生一般采用无机酸（硫酸、盐酸）或碱（氢氧化钠）等药剂使吸附质脱除。例如吸附高浓度酚的活性炭，可用氢氧化钠溶液再生，酚以酚钠盐的形式被回收；吸附重金属的活性炭，可以用盐酸溶液再生。有机溶剂再生常用的溶剂有苯、丙酮和甲醇等，适用于可逆吸附，例如吸附高浓度酚的活性炭；处理焦化厂煤气废水的活性炭，都可用有机溶剂再生。

化学药剂再生法的优点：针对性强，设备简单，具有经济优势；可从再生液中回收有用物质；操作过程在吸附塔内进行，活性炭损失小。缺点：一般只能针对单一物质再生，通用性较差；再生率低，微孔容易堵塞，多次使用后再生率明显降低；存在再生液二次污染的问题。

1.3 生物再生法

生物再生法与生物活性炭技术相似，活性炭吸附有机物，同时微生物对有机物进行降解，从而使活性炭得到再生。由于活性炭能够将有机物长时间吸附在其表面，所以微生物能够将一些不易降解的有机物进行降解，使活性炭再生。但对于不能被微生物降解的有机物，生物再生法的使用会受到限制。

生物再生法的优点是工艺简单，投资和运行费用都很低，对活性炭无危害作用。缺点是再生时间长，吸附率恢复缓慢，对于难生物降解的有机物不适用。

2 活性炭再生新技术

2.1 电化学再生法

电化学再生法是一项新型的活性炭再生技术[4-6]，基本没有二次污染，再生效率较高，目前尚处于研究阶段。该技术是将活性炭填充在两个电极之间，填充电解液（通常为氯化钠、盐酸、硫酸、氢氧化钠等），通入直流电流，活性炭在电场作用下发生极化，形成微电解单元。再生过程一方面依靠电泳力使炭表面有机物脱附，另一方面依靠电解产物包括氯气、次氯酸、新生态氧等氧化分解吸附物或与之生成絮状物。以NaCl为电解质的主要化学反应如下[7]：

电化学再生活性炭的效果主要取决于活性炭在电极中所处的位置、采用辅助电解质的种类、电解质的浓度、电流大小、再生时间和pH值等。大多数研究表明，活性炭在阴极上的再生效率明显高于阳极（约高出20%）。最常用的电解质为氯化钠，活性炭的再生效率一般随电解质浓度的增加而增加，但当电解质浓度高于一定值时，再生效率下降。再生效率随电流的增加而提高，随再生时间的增加而提高，但达到一定时间后（通常为5h），不再有变化。

电化学再生法的优点是：再生效率高，可达80%～95%，且多次再生后再生效率降幅不大[8]。缺点是再生能耗较高。

2.2 超声波再生法

超声波再生仅对物理吸附有效。该技术对活性炭的吸附表面施加能量，通过“空化泡”爆裂的冲击使被吸附物质得到足以脱离吸附表面重新回到溶液中去的能量，即达到活性炭再生的目的。超声波再生的最大特点是只在局部施加能量，再生排出液的温度仅提高2℃～3℃。有研究表明，超声波再生能耗仅为0.1kW·h/kg活性炭，但再生率不到50%[9]。

超声波再生的优点是能耗小、工艺及设备简单、活性炭损失小、可回收有用物质。但最大的不足是再生效率较低。

2.3 催化湿式氧化再生法

催化湿式氧化再生是指在高温、高压下，用氧气或空气作氧化剂, 将处于液相状态下的活性炭吸附质（有机物）氧化分解的一种处理方法。再生条件一般为200℃～250℃，操作压力3～ 7MPa，再生时间不大于60min[10]。

催化湿式氧化再生的优点是：再生效率稳定，处理对象广泛，活性炭损失小（≤3%），反应时间短。缺点是再生效率不高（约为50%），再生设备需耐腐蚀、耐高压，产生废气要进一步处理。该技术目前尚处于探索阶段。

2.4 超临界流体再生法

超临界流体再生主要是利用超临界流体（SCF）超高的有机物溶解度，对饱和活性炭上的有机物进行萃取，使活性炭再生。超临界流体再生的研究目前仅限于二氧化碳，因为二氧化碳的临界温度近于常温（31℃），临界压力相对不高（7.2MPa），且无毒，不可燃，不污染环境[11]。萃取后通过改变超临界流体的温度和压力，使超临界流体的有机物溶解度发生数量级变化，从而实现与有机物的分离。

超临界流体再生的优点是：操作温度低（31℃），不改变吸附质的物理、化学性质和活性炭原有结构，活性炭无损耗，操作周期短，可以收集吸附质，设备占地面积小，能耗不高。缺点是：活性炭吸附的物质必须是在超临界流体中可溶，设备需要耐高压。该技术目前仅限于实验研究。

2.5 新型热再生法

传统的热再生法采用的能源主要是煤、天然气、燃油等，近年来又发展出了一些采用新热源的热再生技术，其中包括：微波加热、远红外线加热、直接通电加热等。

（1）微波加热采用的再生设备为微波谐振膛，用于干燥或加热的微波频率有970MHz及2450MHz两种。微波加热的优点是通过微波使炭自身发热，升温速度快，可迅速达到再生要求的高温，设备体积小。缺点是炉膛内加热不均匀，主要是微波能量吸收不均匀所致，有时产生炭烧结现象。当微波漏能功率大于0.01W/cm2、接触时间达6min以上时，对人体有伤害。在微波产生、输送过程中，磁控管本身会消耗30%～40%的功率。

（2）远红外线加热一般用于干燥活性炭，也可用于再生，主要取决于被加热物体对特定波长的红外线的吸收能力。

（3）直接通电加热是利用活性炭自身具有的电阻和炭粒间具有的接触电阻，使炭产生焦耳热，逐渐达到再生温度，再通入水蒸气进行活化。

以上三种新型活性炭热再生法的能耗相差不大，约为1.50kW·h/kg活性炭[12]。

3 活性炭再生技术展望

目前活性炭利用已经涉及水处理的各个领域，应用范围广、用量大。因此对活性炭再生技术的研究已成为十分重要的领域。虽然传统再生技术成熟，但经济性、通用性和有效性都存在明显缺陷，因此新活性炭再生技术替代传统再生技术具有重大工程意义，具有广阔的产业化前景及明显的经济效益。

本文针对活性炭再生技术的研究进展，提出一种新的活性炭再生技术—超声波+电化学再生法。超声波再生和电化学再生相结合具有其他技术不可比拟的优点。超声波再生的优点是能耗低，不足之处为再生效率低；电化学再生的优点是再生效率高，通用性强，多次再生后仍具有很高的吸附效率，不足之处是能耗较高，如果将这两种再生方法相结合，将两种技术优势互补，就能解决其它再生技术难以克服的问题。因此，作者认为超声波+电化学活性炭再生法很有可能成为一种未来可以挑战传统活性炭再生法的新技术，成为未来的一个研究热点。

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Progress and Development Trend on Regeneration Technologies of Activated Carbon

WU Qi, SONG Qian-wu, ZENG Yan-yan, DAI Jin-guo, LI Zhi
(Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

This paper briefly summarizes the progress of regeneration technologies of activated carbon for water treatment, and then systematically analyzes the advantages and disadvantages of these technologies. These technologies include thermal regeneration, chemical regeneration, bio-regeneration, electrochemical regeneration, ultrasonic regeneration, catalytic wet process of oxidation regeneration, supercritical fluid regeneration and so on. Finally, the paper predicts the future development trends on regeneration technologies of activated carbon, and proposes a new technology of activated carbon regeneration——Ultrasonic + Electrochemical regeneration.

activated carbon regeneration; water treatment; electrochemical regeneration; ultrasonic regeneration

X703

A

1006-5377（2011）10-0014-04