活性炭再生方法比较及废核级活性炭再生现状研究

张治权 李彦樟 陈建利 张崇文 张群

摘 要

活性炭是一种被广泛使用的吸附剂，但其废弃后会造成资源浪费、二次污染等问题，故对活性炭再生进行研究具意义重大。本文介绍了几种活性炭的再生方法，并各自分析了它们的优缺点。废核级活性炭给电站处理固体废料带来巨大压力，需要寻找合适的办法进行减容处理，但当前的核级活性炭再生方法仅处于理论与试验阶段。

关键词

活性炭;再生;废核级

中图分类号： TQ424.1                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.058

0 引言

活性炭有着旺盛的孔隙结构及比表面积，具有良好的化学稳定性，方便再生，吸附能力强。广泛应用于吸附，食品，医疗，催化，储能等生活各个领域。但活性炭的使用寿命短且成本高，一旦其吸附饱和的话，容易在高温环境下再释放形成二次污染。由于这些问题的出现，活性炭在各领域中的使用被很大程度限制。因此，为了活性炭能够重新利用，需要探索出活性炭的再生手段，以便节约资源。

采用一定的理化或生物方法，在不损害活性炭原有结构的前提下，恢复其大部分吸附能力，使其能够再利用于吸附过程的目的，这就是活性炭的再生[1]。本文主要介绍国内外对活性炭再生方法近些年来的研究，同时对其优势和不足进行对比。

1 活性炭的再生方法

1.1 热再生法

活性炭高温热再生的方法是对活性炭进行升温处理，高温炭化其中的有机物，最中转化为从孔隙中逸出的气体，此时的活性炭得到重生[2]。热再生法通常经过3个阶段分别为干燥、炭化以及活化。在干燥阶段，通过蒸发的方式有效去除活性炭吸附的水和低沸点有机物等挥发性成分;炭化过程中，吸附在活性炭上的有机物的一部分被分解，以小分子形式气化脱离去除，剩余的有机物则被固定在活性炭上。最后活化过程，温度升至850℃，通水蒸气、二氧化碳等气体进行活化反应，生成的一氧化碳、二氧化碳、氢气等从活性炭上分解脱附，使活性炭重获吸附能力。加热再生法是工业上应用最多、技术最纯熟的一项方法，对于废活性炭再生率高，再生彻底且无废液产生。但再生过程中，改变活性炭表面结构极易发生改变，对炭损失较大，对设备要求也十分严格，从而增加了投资运营成本，一旦操作不当还容易造成炭粒粘连。

1.2 溶液再生法

活性炭、溶剂、被吸附质三者之间存在相平衡关系，溶液再生法就是通过变温、变溶液的酸碱度等手段，打破三者间吸附平衡关系，最终使得吸附物质能够脱附下来。该方法破坏性很小，故通常应用于贵重产品回收，但一种萃取溶剂只能脱附一些特定种类的污染物，如果被吸附物种类成分复杂，就需要多种萃取剂共同作用。同时，还需要使用腐蚀性较弱的化学溶剂，如果其腐蚀性强，就会腐蚀活性炭表面，破坏其孔隙结构，这样对吸附容量有很大的影响。

1.3 生物再生法

生物再生法是将培养的微生物降解吸附在活性炭表面的有机污染物，通过微生物的作用，有机物最终氧化分解为二氧化碳和水。生物再生法仅对能够被分解的污染物有效果，如果吸附质不能生物降解，则不能够应用此方法。此方法应用前途广，操作简单，不破坏活性炭结构，减少了化学试剂使用;但却需要专门培养微生物，同时再生时间久，多次循环后效率出现下降。

1.4 催化湿式氧化法

催化濕式氧化再生法的发展基础是热再生法。它是活性炭表面上吸附的有机污染物会在高温高压条件下脱附，然后扩散至溶液中，通过注入空气，产生的羟基自由基，将脱附下的有机物氧化的一种再生方法[3]。由于高温高压条件耗能较高，所以经过不断研究探索，引入了催化湿式氧化法。投加催化剂能够有效促进活性炭再生，即为催化湿式氧化再生法。同其他活性炭再生方法比较，这种方法一旦选择好合适的催化剂，可大幅降低能耗及反应时间。但是其再生效率不高（约为50%），所需设备对耐腐蚀性耐高温要求高，所产生的废气也要再处理[4]。

1.5 电化学再生法

电化学再生法在颗粒活性炭上应用广泛，目前仍处于研究阶段。其原理是将失效活性炭填充两主极之间，在电解液内通入直流电场，由于电场的作用，活性炭两端呈现出相反的极性，发生化学反应，活性炭表面吸附的污染物大部分被分解，剩余部分则直接脱附[5]。电化学再生法中，活性炭再生效率高，污染小，多次再生效率降幅很小，操作简便价。但再生所需要的能耗较大，影响因素也很多，因此未能实现工业化。

2.6 超声波再生法

在吸附满的活性炭表面施加能量，被吸附的物质就会因此而发生脱附，此时活性炭再生。超声波再生法为用超声波通入活性炭吸附面，再吸附面上形成高能量的“空化泡”，“空化泡”在溶液中不断变大，裂变成小气泡，在这些小气泡表面和内部形成部分高温、高压，致使水分裂成羟基自由基，同时高压分离表面的有机污染物。超声波再生法仅再局部需要能量，耗能低，利于回收有价值的物质。但是活性炭孔径会影响吸附效率，实验研究发现，活性炭再生率低，不足五成。

2.7 微波辐射再生法

微波辐射再生法同样依据热再生法原理发展而来。活性炭吸附的污染物，吸收微波能力强于其本身，故利用微波作用产生高温，吸附在活性炭表面的污染物一部分会炭化，另一部分则燃烧分解[6]。微波辐射再生的优点是能耗低，加热时间短，活性炭再生的效率高，但是对设备要求十分苛刻，同时存在分解物质不能及时排出等问题，并且在脱附过程中，是否会产生其他中间产物尚不得知。

2.8 超临界流体再生法

超临界流体再生法是将物质在超临界状态下，通过压力或温度的变化，改变物质的溶解度，使其脱附于活性炭表面，最终达到再生。目前仅仅使用二氧化碳作为超临界流体，因为其临界温度临界压力均不高，且无污染，我们还需要去寻找更多的超临界流体，以便此方法得以发展。超临界流体再生法优点是不改变吸附质原有性质，活性炭再生效率高且损失小，其物质性质不受改变，但其缺点是需要设备耐高温，所以目前该技术仍处于试验阶段[7]。

3 废核级活性炭的再生方法探究

核电厂反应堆在运行时会产生各类气载放射性污染物，其中放射性碘对人体最具威胁，这些放射性碘以碘单质，有机碘等形式存在，为了尽量减少其排放至大气，就需要碘吸附器作为放射性碘的吸附装置进行吸附，碘吸附器中的主要物质就是核级活性炭。我国的核级浸渍活性炭，主要原料为椰壳活性炭，通过在其中添加少量比例的三乙烯二胺（TEDA）和碘化钾（KI）等浸渍物制得。核级活性炭的存在大大降低了核电站的风险，但由于活性炭在核电站废物处理领域中应用越来越广泛，饱和后具有放射性的废核级活性炭将成为二次核废物。资料表明，目前我国废核级活性炭的存积量已经达到数百吨，而且每年以数十吨的数量持续增加。如果以这样的速度继续增长下去，将会给我国核废物处理带来巨大压力，故需要研究出安全有效的处理方法对核级活性炭进行处理。

本文前面已经讨论出活性炭的再生方法，如若废核级活性炭可以再生处理，则会大大降低二次废物的产生。目前国内外对核级活性炭再生研究的较少，张昭辰[8]等利用热空气吹脱法对废核级活性炭上的有机吸附物进行去除，但其选用的活性炭仅仅是自制废核级活性炭，并未选用核电站废核级活性炭，同时也未考虑再生过程中放射性核素的收集问题。因此，废核级活性炭的再生目前仅仅停留在理论和试验阶段，再生设备复杂，放射性核素收集难度大是存在的主要问题，如何解决以上问题，仍需要我们不断探索。

4 结

目前我国年活性炭产量达到约70万吨，其中煤质活性炭产量约为45万吨，其主要用于水处理与空气净化。如何将吸附饱和的活性炭进行再生处理对环境保护以及经济可持续发展有着重大意义。同时对废核级活性炭的再生处置已成为国际共识，此再生方法研究仍是目前我国需解决的主要问题。

参考文献

[1]曾雪玲，TangXiaodong，卢涛，et al.活性炭再生技术的研究进展[J].四川化工， 2008（4）.

[2]韩庭苇[1]，王郑[1]，朱垠光[1]，et al.活性炭的再生方法比较及其发展趋势研究[J]. 化工技术与开发，2016（45）：48.

[3]Wedeking C A，Larson R A，Ding J.Wet Air Regeneration of PAC：Comparison of Carbons with Different Surface Oxygen Characteristics[J].Water Research，1987，21（8）：929-937.

[4]吴琪，宋乾武，曾燕艳，et al.活性炭再生技术研究进展和发展趋势[J].中国环保产业，2011（10）：15-18.

[5]胡莹.活性炭再生技术研究与发展[J].煤炭与化工，2018，v.41;No.264（04）：142- 145.

[6]刘守新，王岩，郑文超.活性炭再生技术研究进展[J].东北林业大学学报，2001，29（3）：61-63.

[7]陈皓，赵建夫，刘勇弟.超临界二氧化碳萃取再生吸苯活性炭的研究[J].化工环保，2001（02）：6-9.

[8]張昭辰，王建国，王坤俊，et al.热空气吹脱法去除废核级活性炭上有机吸附质的试验研究[J].化工技术与开发，2018，47（09）：58-61+66.