高效炭滤罐的结构及其在电镀废水处理中的应用

彭扬波

（广东高力集团有限公司，广东 佛山 528247）

【仪器设备】

高效炭滤罐的结构及其在电镀废水处理中的应用

彭扬波

（广东高力集团有限公司，广东 佛山 528247）

介绍了一种具有流化床结构的新型高效炭滤罐的主要结构，给出了该炭滤罐在电镀废水处理中应用的实例。采用该炭滤罐可提高活性炭的吸附效率，减轻操作的劳动强度。它可用于冶金、化工、医药、环保等行业的活性炭吸附、固液分离、气体净化、油水分离和噪声处理，是一种多用途的实用新型设备。

活性炭；过滤器；流体；流化床；固定床；电镀废水；处理

活性炭在冶金、化工、制药、环保等领域得到了广泛的应用，工业发达国家近几年对活性炭的应用表明，环保问题是推动活性炭生产发展及消费量增加的主要推动力［1］。可见活性炭是保护环境的大角色，环保是活性炭的大用户，是将在发展中国家具有产业规模的大商品［2］。但是，应用活性炭的设备──活性炭过滤器（即吸附床）未曾见有改进，陈旧的设备结构已不利于当代活性炭的应用和推广。

目前的活性炭过滤器（下称老式炭罐）的两端是球面封头，中段为圆筒，罐外有活性炭和流体的进出口法兰，内部有布水器、网筛管过滤器和活性炭床层。根据活性炭进出口位置的不同，老式炭罐有 5种结构：罐顶部的同一个管口装炭和卸炭；罐侧面的同一人孔装炭和卸炭；罐侧面的上人孔装炭和下人孔卸炭；罐侧面的人孔装炭和罐底部的管口卸炭；罐顶部的管口装炭和罐底部的人孔卸炭。无论哪一种结构，活性炭的进出口都使用了大小不一、拆装耗时的法兰盲板，其操作的劳动强度大，不适合频繁更换活性炭的工序［3］。

老式炭罐内的活性炭颗粒堆积在一起，当流体（液体、气体）自上而下流过活性炭床层时，流道曲折多变，流速快慢不一，流动状态各异［4］，活性炭颗粒的表面不能充分接触流体中应该被它吸附的物质，因此吸附的效率低。另外，流体会在床截面上流动阻力小的区域通过而形成“短路”，被截留在床的上界面的悬浮物会减小流体的流量和增大过滤的压力；由于此类床有深度过滤的特点［4］，黏性的胶体和细菌在重力和动量的作用下会与颗粒抱团结块而产生沟流，令活性炭的吸附效率越来越低。另外，粉末的活性炭在老式炭罐中不能成床，所以，老式炭罐不能用粉末活性炭。

如果流体自下而上流过活性炭颗粒床，将大量固体颗粒（即活性炭）悬浮于流动的流体之中，并在流体作用下使颗粒做类似于液体沸腾的翻滚运动来完成活性炭的吸附［5］，就克服了老式炭罐所有的缺陷。为此笔者探索了3年，制造了一种实用的新型炭罐──高效炭滤罐［6］，它是一种活性炭吸附的流化床，有较高的活性炭吸附效率，能实现活性炭快装快卸，减轻了换炭的劳动强度，还可使用粉末活性炭。另外，高效炭滤罐还可用于固液分离、气体净化、油水分离和噪声处理，是一种多功能设备。

1　技术方案

1. 1设计目标

能快捷地打开和关闭炭罐的活性炭进口与出口的盖板，能实现活性炭快装快卸，降低换炭操作的劳动强度；能使活性炭颗粒在流体中呈流化态，流体分布均匀且不会发生“短路”，不会导致活性炭颗粒结块，能提高活性炭的吸附效率；能使用粉末活性炭；具有多种用途。

1. 2设备结构

如图1所示，高效炭滤罐的结构包括进炭口1、罐体2、出炭口3、快开门4及支脚5。

图1　高效炭滤罐的结构示意图Figure 1　Schematic diagram of high-efficiency activated carbon filter

进炭口1设置有进料管11、盖板12、提手13；进料管11与格栅板221连通；作为优选的方案，进料管11的管径是100 ～ 600 mm；盖板12是插扣式快开盲板、卡箍式快开盲板或锁环式快开盲板。

罐体2设置有上部的过滤仓21及下部的罐锥体22；作为优选的方案，罐体2的材质是不锈钢、铸钢或铸钢上衬胶。

过滤仓21设置有格栅板211；格栅板211设置有安装孔2111、过滤管2112、接头2113；过滤管2112通过接头2113安装在安装孔2111内；过滤管2112是烧结网过滤管、烧结毡过滤管、粉末烧结过滤管、线缠绕过滤管或网筛过滤管等。

罐锥体22设置有流体输送管221、再生液出口222、炭层223、填料层224；炭层223是各种材质和形状的活性炭；填料层224是石英砂、无烟煤、瓷砂或塑料球等。

流体输送管221设置有流体出口2211、压缩空气入口2212、再生药液入口2213、视镜2214、自来水入口2215；压缩空气入口2212与再生药液入口2213分别设置在流体输送管221的上侧，视镜2214的一端设置在流体输送管221的上侧，另一端与过滤仓21连通；自来水入口2215与流体出口2211分别在流体输送管221的两端。

出炭口3设置有布水管31、隔膜压力表32；布水管31设置有流体进口311、排空口312、布水孔313；流体进口311与排空口312分别在布水管31的两端；若干个内径为10 mm的布水孔313设置在布水管31的下侧；作为优选的方案，出炭口3的管径是300 ～ 600 mm，布水管31的管径是50 ～ 150 mm。

快开门4设置有万向节41、开关气缸42、锁扣气缸43。

支脚5设置有耳架51、支杆52；耳架与罐体2相连；作为优选的方案，支脚5是3 ～ 4个，均分在罐体2的周围。

1. 3设备性能

该高效炭滤罐的进炭口盲板和出炭口快开门均有良好的气密性，打开或关闭进炭口盲板的时间只需要十几秒；另外，打开或关闭出炭口快开门的时间也只需要十几秒。因此，活性炭的进出口都实现了快开快关，操作方便。

进炭口的内部结构为漏斗形，借用活性炭的输送设施给高效炭滤罐加注活性炭时十分方便，如果在流体输送管上安装抽风管道，保持过滤仓内微小的负压，可以避免炭灰的挥发，同时在过滤管外形成助滤层。罐锥体的上部是圆柱、下部是圆台，打开快开门后，填料与活性炭会立刻卸下，再往流体输送管中注入气-水混合物，很容易将过滤管外壁和炭罐内壁上的余炭清洗干净，还对过滤管有再生作用，即卸炭、清洗和再生一起完成，操作的劳动强度小，能快捷地更换活性炭，这是老式炭罐无法媲美的。

过滤仓中过滤管的数量宜尽量多，其数量是由格栅板的直径和过滤管的外径决定的。根据活性炭的粒度选择过滤管的精度（最小的过滤孔径为0.5 μm），而过滤管的下端与床浓相区的上界面需要有一定的距离，即预留床层的膨胀空间。再生液出口的标高离浓相区上界面的距离不能太大，不然过滤管和活性炭再生时产生的废液量大。

流体进入高效炭滤罐的压力是0.20 ～ 0.35 MPa，当活性炭的粒度和密度小时，输入的压力宜小，反之亦然，目的是使流体的流速高于该床的临界流化速率，而低于活性炭颗粒被带出的速率。这源于当流体与颗粒之间的摩擦阻力小于其净重力（重力减去浮力）时，颗粒基本上静止不动，即颗粒层为吸附效率低的固定床，只有当流体与颗粒之间的摩擦阻力恰好与其净重力相平衡时，这种床层才为流化床［5］。当输入流体的压力过大，流体在床中的实际流速超过了颗粒的沉降速率，流化床的上界面就会消失，活性炭的颗粒将会被带出，此时过滤管使它返回床层。

活性炭是疏水性的，浸泡在液体中其膨胀很小，也无黏性，因此，过滤管外的活性炭很容易被洗脱。另外，过滤管外的活性炭层能较好地解决黏性滤饼的脱渣问题。

需要注意的是：流体（包括液体、气体）不能腐蚀罐体和配件，而且流体的温度不能超过过滤管或密封件的材料要求。

流体从布水管进入床层后，活性炭颗粒的运动比较复杂。总体而言，颗粒总是做上下往复循环运动，同时还有杂乱无章的不规则运动，这两种运动造成颗粒的轴向混合。随着颗粒的循环，部分流体也有相应的循环和混合［5］，这样就消除了活性炭抱团结块，也避免了流体产生“短路”，使活性炭的表面能充分地接触到可被它吸附的物质，从而提高了吸附效率。

填料颗粒的直径是4 ～ 8 mm，填料层的厚度覆盖布水管的上侧即可。当使用粒度小的（如粉末）活性炭时，需要增加50 mm厚的小粒径填料层（颗粒直径2 ～ 4 mm），这样就充分地构成了流化床的填充式分布板，能使床中的流体均匀分布。因填料的密度大，故填料层是固定的床层。其中石英砂和无烟煤用于碱性或中性流体，而塑料球和瓷砂常用于酸性流体。

粉末活性炭的粒度范围是200 ～ 325目（颗粒直径75 ～ 44 μm），因此过滤管的精度要小于44 μm，才能使粉末活性炭的颗粒返回床层。在加注粉末的活性炭前，需要先加入20 ～ 30目的颗粒状活性炭，其质量为粉末活性炭的10%即可，起承载粉末活性炭的作用，以减少粉末活性炭进入填料层，避免停车排空时活性炭被排出罐外。

当高效炭滤罐的流量变小或每次停车时，需要用气-水混合物适量反洗过滤管，以保持过滤管的时效。其中气体的压力是0.30 ～ 0.50 MPa，自来水的压力是0.20 ～ 0.30 MPa。当过滤管堵塞严重时，先用30%硫酸或50%氢氧化钠浸泡或循环，再用气-水混合物清洗过滤管。处理电镀废水的实践证明，氢氧化钠的效果比硫酸好。由此可见，再生过滤管操作简单，可反复使用。

往炭罐中加入30%硫酸或50%氢氧化钠又或热蒸气，可以直接在高效炭滤罐内再生饱和后的活性炭。其中，用碱再生吸附CODCr的高比表面活性炭，一次再生率达94.22%，二次再生率达86.90%［1］。用热蒸气时，其温度不能超过过滤管和密封件材料的承受能力，使用的压力是0.20 ～ 0.40 MPa。

当高效炭滤罐内不加装活性炭时，可用于固液分离、气体净化、油水分离以及噪声处理，此时过滤管的长度要尽量长，使过滤的总面积最大，而过滤的精度由所用过滤管的孔径决定。

如果高效炭滤罐的管路上都使用电动阀或气动阀，再与工控机（内置可编程逻辑控制器）相连就能实现自动化操作，能自动完成装炭、卸炭、吸附和再生。

高效炭滤罐的结构强度高，经久耐用，维修方便，保养费用少。

2　实际应用

图2所示为该高效炭滤罐的第一台原形机，其材质是304不锈钢，筒体的外径是1 000 mm；进炭口的盖板是插扣式快开盲板（见图3），进料管的内径是150 mm；出炭口是双气缸快开门（见图4），其内径是300 mm；过滤管是PE（聚乙烯）烧结过滤管，精度为140 μm，外径为38 mm，内径（公称通径）为DN20 mm，长度为300 mm；填料层是25 kg粒度为4 ～ 8 mm的石英砂；炭床是300 kg粒度为15 ～ 25目的K03型椰壳活性炭，装车耗时30 min。该炭滤罐安装在平台上。

图2　第一台原形机Figure 2　The first prototype model

图3　进炭口肓板Figure 3　Blind board of activated carbon inlet

图4　出炭口快开门Figure 4　Quick-open valve of activated carbon outlet

将CODCr为64.59 mg/L的电镀废水23.5 m3以0.25 MPa的压力输入高效炭滤罐内，测得流体的成分变化如表1所示：CODCr减少了33.72 mg/L，去除率为52.2%；pH升高了0.66，这是活性炭自身的碱性在该过程中被释放的结果；悬浮物（SS）减少了2.00 mg/L，去除率为20%，说明高效炭滤罐还具有管式过滤机的微滤功能［7］。

表1　高效炭滤罐处理电镀废水的效果Table 1　Efficiency for treatment of electroplating wastewater by using the high-efficiency activated carbon filter

应用老式炭罐做对比试验，用CODCr为61.47 mg/L的电镀废水23.5 m3为流体，一次过滤后其CODCr为34.79 mg/L，去除率为43.4%。

对比试验的结果表明，用质量相同的同种活性炭处理CODCr浓度相近和成分相似的电镀污水时，因设备结构不同即床的结构不同，其处理效果也不一样，高效炭滤罐的吸附效率比老式炭罐高。这是因为高效炭滤罐内活性炭接触污水中有机物的几率更高。

3　结语

高效炭滤罐是一种新型的实用设备，能提高活性炭的吸附效率，实现了活性炭的快装快卸，降低了操作的劳动强度，消除了活性炭结块与流体“短路”现象，特别是能使用经济的粉末活性炭，扩大了活性炭的应用范围，是活性炭过滤器的一次革新。

高效炭滤罐的直径越大，活性炭的用量就越大，停车排空时产生的余液也多，再生液和清洗水的量也大，要求安装基础的承载高，钢结构的强度大。作为优选的方案，宜采用中小型的炭罐以多段穿透吸附的方式。

高效炭滤罐安装在平台上，操作方便，可以利用平台下的空间，安装运输废炭的小车，进一步降低劳动强度。

高效炭滤罐是应用活性炭的设备，虽然能提高活性炭的吸附效率，但活性炭的吸附总容量由活性炭的材质、粒度及其活化工艺等因素决定［3］。

高效炭滤罐使用了精加工配件，因此市售价格高，但用于精、细的污水处理工艺时有较大的优势。

［1］ 沈曾民, 张文辉, 张学军, 等. 活性炭材料的制备与应用［M］. 北京： 化学工业出版社, 2008： 118, 214.

［2］ 郏其庚. 活性炭的应用［M］. 上海： 华东理工大学出版社, 2002： 92.

［3］ 彭明智. 活性炭处理电镀废水［J］. 电镀与涂饰, 2014, 33 （11）： 482-486.

［4］ 大连理工大学. 化工原理（上册）［M］. 2版. 北京： 高等教育出版社, 2009： 177, 181.

［5］ 夏清, 陈常贵. 化工原理（上册）［M］. 修订版. 天津： 天津大学出版社, 2005： 189, 192.

［6］ 彭扬波. 一种高效炭滤罐： CN, 203803232 ［P］. 2014-09-03.

［7］ 宋显洪. 工业生产上水处理用微孔精密过滤机［J］. 环境科学动态, 1999 （2）： 15-19.

［ 编辑：周新莉 ］

Structure of high-efficiency activated carbon filter and its application to treatment of electroplating wastewater

// PENG Yang-bo

The structure of a novel high-efficiency activated carbon filter with fluidized bed was introduced. Its practical application to treatment of electroplating wastewater was presented. By using the given activated carbon filter, the absorption efficiency of activated carbon is increased, and the labor intensity during operation process is alleviated. The filter is a novel practical multipurpose equipment, which can be used for activated carbon adsorption, solid-liquid separation, gas purification, oil-water separation, and noise reduction in many fields, such as metallurgy, chemical industry, medicine, and environmental protection.

activated carbon； filter； fluid； fluidized bed； fixed bed； electroplating wastewater； treatment

's address： Guangdong Gaoli Group Co., Ltd., Foshan 528247, China

X781.1

A

1004 - 227X （2015） 05 - 0279 - 05

2014-09-23

2014-12-22

彭扬波（1990-），男，湖南安化人，研究员，主要从事表面处理方面的研究工作。

作者联系方式：（E-mail） 549979752@qq.com。