（市政工程专业论文）载苯酚活性炭的微波法再生试验研究.pdf

t h es t u d yo nr e g e n e r a t i o no fp h e n o l s a t u r e da c t i v a t e dc a r b o nb y u s i n gm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n b y l if a n g r o n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a n i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw uh u i y i n g j u n e ，2 01 l 硕士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：巷哥罄日期：冽年多月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打”) 巷专蓉 曩终交 日期： 刎侔6 月7 日 日期： 加f 年易月9 日 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 摘要 本论文以活性炭的微波再生法为研究对象，首先从直接微波法( g a c m 法) 、 载n 2 微波法( g a c n 2 m 法) 和载c 0 2 微波法( g a c c 0 2 m 法) 三种不同的微波再生 活性炭方法入手，考察了微波多次再生活性炭的可行性；其次分别探讨了g a c n 2 m 法和g a c c 0 2 m 法再生活性炭的影响因素和最佳再生条件及多次再生活性炭的效 果；最后采用一系列先进的分析测试方法分析了活性炭的微波再生机理，从而为 微波再生活性炭工艺提供一定的参考和依据。 研究结果表明，g a c m 法多次再生活性炭效果不佳，g a c n 2 m 法再生活性炭的 效果优于g a c c 0 2 m 法，是本论文推荐的微波多次再生活性炭方法。影响微波法再 生活性炭因素最大的是微波功率和辐照时间，其次是活性炭用量和载气流量，含 水量的影响较小，因此活性炭再生前可不进行烘干而直接再生饱和湿活性炭，简 化了微波法再生活性炭工艺。g a c n 2 m 法再生活性炭的费用是g a c c 0 2 m 法再生活 性炭费用的2 1 倍，但多次再生效果明显优于g a c c 0 2 m 法，故在实际工程中采用 g a c n 2 m 法多次再生活性炭较理想。 通过s e m 扫描电镜、e d x 表面元素分析、b e t 比表面分析仪研究结果表明， g a c n 2 m 法再生后活性炭表面变得粗糙，出现了明显的裂纹，许多闭塞的孔被打 开，并向里延伸，活性炭平均孔径增大，一定比例的中孔有利于增加活性炭对苯 酚的吸附量。g a c c 0 2 m 法再生后活性炭表面并没有出现大量微孔结构，炭量损失 严重，微孔数量减少，比表面积相应减少，苯酚吸附量降低。g a c n 2 m 法再生后 活性炭的c 元素含量略有上升，o 元素含量减少；g a c c 0 2 m 法再生后，活性炭中c 元素含量减少，o 元素含量略有增加b o e h m 滴定、p z c 零电荷点测定结果表明， 经微波再生后，活性炭表面酸性基团逐渐减少，碱性基团逐渐增加，有利于以疏 水性和弱酸性为主的苯酚的吸附。g c m s 气质联用仪及苯酚去向和物料衡算结果 表明，微波再生活性炭过程中苯酚缩合产物繁多，主要有二苯并呋喃、萘、二苯 醚等，但含量较少；在氮气流量0 1 m 3 h 下，经7 0 0 w 微波辐照3 0 m i n 再生一次后苯 酚的挥发量占其吸附总量的4 8 6 4 ，高温裂解、缩合、氧化、炭化的苯酚量占 5 1 3 6 ，再生后活性炭上无残留苯酚存在，说明活性炭的微波再生法不仅能有效 再生活性炭，而且还是去除有机污染物的有效方法。 关键词：微波辐照；活性炭再生；苯酚；吸附；表面官能团 n 硕士学位论文 a b s t r a c t f o c u s e do nt h em i c r o w a v er e g e n e r a t i o no fa c t i v a t e dc 2 u r b o n ，t h i sp a p e rs t a n e d f r o ma n a l y z i n gt h ef e a s i b i l i t yo fm i c r o w a v er e g e n e r a t i o no fa c t i v a t e dc a r b o nb yt h r e e d i f 诧r e n tm e a n s ：g a c m 、g a c n 2 ma n dg a c c 0 2 m ，t h e nd i s c u s s e ds u c c e s s i v e l yt h e i n f l u e n t i a lf a c t o r sa n dt h eo p t i m u mr e g e n e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h eg a c n 2 ma n d g a c c 0 2 m ， a n dt h ee f 诧c to ft h e r e p e a t e dm i c r o w a v er e g e n e r a t i o n so fa c t i v a t e d c a r b o n ， a n d f i n a l l ya n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft h em i c r o w a v er e g e n e r a t i o no f a c t i v a t e dc a r b o nw i t has e r i e so fa d v a n c e da n a l y z i n ga n dt e s t i n gm e t h o d sa n dt h u s p r o v i d e dar e f e r e n c ea n db a s i sf o rt h ep r o c e s so fm i c r o w a v er e g e n e r a t i o no fa c t i v a t e d c a r b o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h er e s e a r c h ，g a c n 2 - mi sm u c hm o r ee f 绝c t i v et h 锄 g a c m ，w h i c hi sn o tv e r ye f f e c t i v e g a c n 2 m ，h o w e v e r ，r e c o m m e n d e di nt h i sp a p e r ，i s p r o v e dt ob eb e t t e rt h a ng a c c 0 2 m t h eg r e a t e s ti n n u e n t i a lf a c t o r sf o rm i c r o w a v e r e g e n e r a t i o no fa c t i v a t e dc a r b o na r et h em i c r o w a v ep o w e ra n dt h et i m eo fi r r a d i a t i o n ， f o l l o w e db yt h ea m o u n to fa c t i v a t e dc a r b o na n dt h en o wo ft h ec a r r i n ga i r t h e c o n t e n to fw a t e rh a sl i t t l ei m p a c to nt h er e s u l t s ，s ot h es a t u r e da n dw e ta c t i v a t e d c a r b o nc a nb ed i r e c t l yr e g e n e r a t e dw i t h o u td r ) r i n gb e f o r et h ei r r a d i a t i o no fm i c r o w a v e ， w h i c hs i m p l i f i e st h ep r o c e s so fm i c r o w a v er e g e n e r a t i o no fa c t i v a t e dc a r b o n t h ec o s t o fr e g e n e r a t i n ga c t i v a t e dc a r b o nw i t hg a c n 2 mi s2 1t i m e so ft h a tw i t hg a c c 0 2 m ， h o w e v e r ，t h er e p e a tr e g e n e r a t i o n e f f e c to fa c t i v a t e dc a r b o n w i t hg a c n 2 mi s o b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a to fg a c c 0 2 m ，s oi ti st h er i g h tw a yt or e g e n e r a t ea c t i v a t e d c a r b o nw i t hg a c n 2 mi nr e p e a tr e g e n e r a t i o n so fa c t i v a t e dc a r b o ni np a c t i c a lp r o c e s s t h ep i c t u r eo fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t h ea n a l y s i so fe d xs u r f a c e e l e m e n t sa n dt h er e s u l t so fb e ts u r f a c ea r e ao fa c t i v a t e dc a r b o ns h o w e dt h a t ，a n e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nb yt h em e a n so fg a c n 2 m ，t h es u r f a c eo fa c t i v a t e dc a r b o n b e c a m er o u g hw i t hc l e a rc r a c k sa n dm a n yb l o c k e dh o l e sw e r eo p e n e da n dd e e p e n e d ， t h ea v e r a g ep o r es i z eo fa c t i v a t e dc a r b o ni n c r e a s e da n dac e n a i np r o p o n i o no fm i d d l e s i z e dp o r ec o n t r i b u t e dt ot h ea d s o r p t i o na m o u n to fp h e n o lb yt h ea c t i v a t e dc a r b o n w h i l et h r o u g ht h em i c r o w a v ei r r a d i a t i o no fg a c c 0 2 m ，t h e r ew e r e n tan u m b e ro f p o r o u ss t r u c t u r ei nt h ea c t i v a t e dc a r b o na n dt h ec a r b o nc o n t e n ts u f 佗r e ds e r i o u s l o s s e s ，t h en u m b e ro fp o r e sd e c r e a s e da sw e l la st h es _ u r f a c ea r e a ，t h u st h er e d u c t i o n i nt h ea d s o l 。p t i o no fp h e n 0 1 i nt h ec a s eo fg a c n 2 m ，t h ec o n t e n to fe l e m e n tc i n c r e a s e ds l i g h t l yw h i l et h ee l e m e n tod e c r e a s e d ，b u tt h ec a s eo fg a c c 0 2 ms h o w e d l l l 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 e x a c t l yt h eo p p o s i t e r e s u l t t h er e s u l t so fb o e h ma n dp z cs h o w e dt h a ta n e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ，t h e a c i d i cg r o u p so nt h es u r f h c eo ft h ea c t i v a t e dc a r b o n d e c r e a s e da n dt h ea l k a l i n eg r o u p si n c r e a s e d ，w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ea d s o r p t i o no f t h ep h e n o lc h a r a c t e r i z e db yt h eh y d r o p h o b i cp r o p e n ya n dw e a ka c i d c i t y t h er e s u l t s o fg c m s a n a l y z e ri n d i c a t e dt h a td u r i n gt h ep r o c e s so fm i c r o w a v ef a d i a t i o n o f a c t i v a t e dc a r b o n ，t h ed e c o m p o s i t i o no fp h e n o lp r o d u c e dl o t so fp r o d u c t sa m o n g w h i c hd i b e n z o f u r a n ，n a p h t h a l e n ea n dd i p h e n y le t h e r ；u n d e rc o n d i t i o n so fn i t r o g e n f l o wr a t e0 1m 3 h ，m i c r o w a v ep o w e r7 0 0 w ，i r r a d i a t i o nt i m e3 0 m i n ，a n da f t e rt h ef i r s t r e g e n e r a t i o n ，t h ev o l a t i l i z a t i o no fp h e n o lr e p r e s e n t d4 8 6 4 o f “st o t a la b s o r p t i o n ， w h i l et h ep y r o l y t i c ，o x i d i z e da n dc a r b o n i z e dp h e n o la c c o u n t e df 0 r51 36 t h e r ew a s n op h e n o ll e f to nt h es u r f a c eo fa c t i v a t e dc a r b o na f t e rt h er e g e n e r a t i o n ，w h i c hp r o v e s t h a tt h em i c r o w a v er e g e n e 姐t i o no fa c t i v a t e dc a r b o ni sn o to n l ya ne f f e c t i v ew a yt o r e g e n e r a t ea c t 曲a t e dc a r b o nb u ta l s oag o o dw a yt or e m o v et h eo r g a n i cp o l l u t a n t s k e yw o r d s ： m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ； r e g e n e r a t i o n o fa c t i v a t e dc a r b o n ； p h e n o l ； a d s o r p t i o n ；s u r f a c ef u n c t i o n a lg r o u p s i v 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要j i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 活性炭及其应用1 1 1 1 活性炭的性质l 1 1 2 活性炭的活化、改性与再生2 1 1 3 活性炭在水处理中的应用及展望4 1 2 微波及其应用一；一6 1 2 1 微波的性质6 1 2 2 微波加热的基本原理和优点_ 6 1 2 3 微波在环境工程中的应用与发展7 1 3 苯酚及其废水的治理方法9 1 3 1 苯酚的性质9 1 3 2 苯酚废水的危害9 1 3 3 苯酚废水的治理方法9 1 4 课题研究的内容与意义1 0 1 4 1 课题研究的来源1 0 1 4 2 课题研究的内容与意义l l 1 4 3 创新点1 1 1 4 4 技术路线：1 2 第2 章微波法多次再生活性炭的可行性试验1 4 2 1 实验分析方法1 4 2 1 1 主要实验仪器与试剂1 4 2 1 2 原炭及高浓度苯酚废水的制备一1 4 2 1 3 实验分析方法1 5 2 1 4 实验装置图l6 2 1 5 实验步骤1 7 2 2 直接微波法多次再生活性炭可行性试验1 8 2 2 1 实验现象及解释1 8 2 2 2 实验结果及分析一19 v 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 2 3 载气微波法多次再生活性炭可行性试验2 0 2 3 1 载氮气微波法再生活性炭实验现象、结果及分析2 0 2 3 2 载二氧化碳微波法再生活性炭可行性初步探索2 l 2 4 本章小结一2 2 第3 章载氮气微波法再生载苯酚活性炭试验2 3 3 1 单因素实验：2 3 3 1 1 活性炭用量的影响2 3 3 1 2 微波功率的影响2 5 3 1 3 辐照时间的影响2 5 3 1 4 含水量的影响2 6 3 1 5 氮气流量的影响2 7 3 2 正交实验2 8 3 3 载氮气微波法最佳再生条件下的多次再生一2 9 3 4 本章小结2 9 第4 章载二氧化碳微波法再生载苯酚活性炭试验3 1 4 1 单因素实验3l 4 1 1 辐照时间的影响3 l 4 1 2 二氧化碳气体流量的影响3 2 4 1 3 微波功率的影响3 3 4 2 正交实验3 4 4 3 载二氧化碳微波法最佳再生条件下的多次再生一3 5 4 4 本章小结3 6 第5 章微波再生活性炭机理及经济比较3 7 5 1 活性炭孔隙结构与除污机理的关系3 7 5 1 1 电镜扫描及表面元素分析：3 7 5 1 2 比表面积测定3 9 5 2 活性炭表面化学结构与除污机理的关系一4 0 5 2 1 b o e h m 滴定4 0 5 2 2 零电荷点分析4 1 5 2 3 测定结果与分析4 2 5 3 再生尾气的气质联用分析4 3 5 3 1 检测仪器与方法4 3 5 3 2 检测结果与分析4 4 5 4 苯酚去向分析及物料衡算5 3 5 5 不同微波法加热再生活性炭的经济比较5 4 v i 硕士学位论文 5 5 1 载氮气微波法再生活性炭的费用计算5 4 5 5 2 载二氧化碳微波法再生活性炭的费用计算5 5 5 。6 本章小结5 5 结论5 7 参考文献s 9 致谢6 3 v n 硕士学位论文 1 1 活性炭及其应用 第l 章绪论 1 1 1 活性炭的性质 活性炭( a c t i v a t e dc a r b o n ，a c ) 是一种黑色多孔固体吸附材料，由富碳物质 如木屑、果壳、稻壳等植物类和无烟煤、石油、沥青等矿物类和其它有机质经炭 化、活化后制成，含有一定的灰分。作为一种优良的吸附剂，活性炭最大的特点 是孔隙结构发达，具有巨大的比表面积( 一般可高达l0 0 0 m 2 g 3 0 0 0 m 2 儋) ，能有 效地除污、除臭和脱色，被广泛应用于气相或液相吸附剂及催化剂的载体中。按 外观形状的不同，活性炭可分为颗粒状活性炭( g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ，g a c ) 、 粉末状活性炭、纤维状活性炭；按原料的不同可分为木质活性炭、煤质活性炭、 椰壳活性炭、果壳活性炭和竹质活性炭等。不同种类的活性炭吸附性能存在着差 异，同种活性炭对不同吸附质的吸附性能也各不相同，这与活性炭的孔隙结构、 表面化学性质、吸附质本身的性质及吸附条件密切相关【lj 。 1 1 1 1 活性炭的孔隙结构 活性炭虽然是一种无定形炭，不具备金刚石和石墨的晶体结构，但从x 射线 衍射分析的结果可知，它们的结构中含有大量按螺层形结构排列的石墨微晶，这 些微晶之间的间隙构成了活性炭发达的孔隙结构【2 1 。根据国际纯粹与应用化学联 合会( i u p a c ) 的分类，活性炭的孔径可分为大孔( 直径 5 0 n m ) 、中孔( 直径= 2 5 0 n m ) 和微孔( 直径 0 ，表示炭质量增加；m o ， 表示炭质量减少。 码一一微波再生后活性炭的质量，g ； 一一微波再生前活性炭的质量，g 。 2 1 4 实验装置图 再生反应器 气体进口 气体出口 r 夕 a ) 微波法再生活性炭装置示意图b ) 特制再生反应器原理图 图2 2 微波法再生活性炭装置图 1 6 硕十学位论文 c ) 试验装置照片 续图2 2 微波法再生活性炭装置图 通载气再生反应器为特制石英玻璃双层玻璃管，内层管的底部开了小孔，气 体从下往上经过活性炭，到达反应器上部的出口排出，目的是可以让活性炭充分 接触载气，也为有机物的蒸发和孔隙的生成提供动力。 2 1 5 实验步骤 微波法多次再生载苯酚活性炭的试验由多个活性炭吸附和微波再生的循环过 程组成。陈积义【5 4 j 进行了椰壳颗粒活性炭对高浓度苯酚的吸附动力学试验和直接 微波法再生活性炭的影响因素探讨，研究结果表明：苯酚溶液浓度越低，温度越 低，活性炭吸附所达平衡时问越长，在固液比为l ：2 0 ，温度1 0 ，振荡箱转速 1 1 5 r m i n 时，低浓度( 9 1 8 m g l ) 的苯酚溶液吸附平衡时间最长，需1 2 h ；对直接 微波法再生活性炭效果得影响因素较大的是微波功率和辐照时间，此外，能量密 度越高，再生效果越好，而在能量密度相同的前提下，微波功率越高，再生效果 越好，能量利用率也越高。故本实验活性炭在3 0 时，采用同样的固液比和转速 条件下吸附高浓度苯酚，1 2 h 足以达到平衡，实验过程中可以采取增大微波功率 和延长辐照时间的方法来获得较好的再生效果。 微波法再生活性炭的过程，具体步骤如下： ( 1 ) 饱和活性炭的制备 称取1 0 9 活性炭于2 5 0 m l 具塞锥形瓶中，加入2 0 0 m l 浓度为1 0 1 1 4 1 m g l 的苯酚溶液( 即原溶液) 后于振荡培养箱里振荡并调节温度3 0 ，转速1 1 5 r m i n ， 振荡1 2 h 达到吸附平衡后取出过滤( 此时的活性炭即为饱和活性炭) ，收集滤液并 于紫外分光光度计下测定其浓度。 ( 2 ) 微波再生活性炭 本实验采用微波再生法直接再生湿活性炭，即再生前，活性炭不需任何预处 理( 如烘干等) 就直接进行再生。将饱和活性炭转移至再生反应器中，沥干水分 后( 活性炭柱的上表面务必保持水平) ，将反应器的上端固定，下端悬于微波场距 1 7 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 微波炉底部3 c m 位置( 如图2 2 所示) ，在一定的功率下经微波辐照达预设的时间 后，取出活性炭并将其置于1 0 5 烘箱中烘干至恒重，称其质量，并记下读数。 ( 3 ) 再吸附 步骤( 2 ) 再生后的活性炭称完重后，置于2 5 0 m l 锥形瓶中，又重新吸附浓 度为1 0 1 1 4 1 m g l 的苯酚原溶液，操作及条件同步骤( 1 ) ，吸附饱和后测其平衡 浓度( 即再生后的平衡浓度) 。 重复以上步骤( 2 ) 和步骤( 3 ) ，使活性炭得到多次再生。在微波法多次再生 活性炭的可行性还未知晓的前提下，每次再生活性炭可改变再生条件( 如延长辐 照时间、增大微波功率、改变通气量等) ，以期获得较高的相对再生率。 2 2 直接微波法多次再生活性炭可行性试验 直接微波法即再生过程中不通入任何气体的微波活性炭再生法，简称为 g a c m 法。 2 2 1 实验现象及解释 通过观察发现，微波辐照再生活性炭的最初l m i n 内，湿活性炭周围的水分 迅速蒸发变干，炭柱外壁上出现零星火花。l m i n 后，火花迅速变多并扩大到炭柱 内部，3 m i n 后再生反应器内出现频繁而激烈的火花甚至火弧，整个炭柱已经红透。 2 0 m i n 以后，火花逐渐变小和减弱，但一直持续到反应结束。待活性炭冷却后取 出，发现表层有炭粒烧失灰化现象 基于以上现象解释如下：由于微波加热具有选择性，它是依靠偶极电子旋转 和离子传导的方式来产热，故分子或离子的极性越强，其吸收微波的能力就越强 1 3 4 1 。在直接微波法再生活性炭体系中，水分子和炭粒都为良好的吸波物质，而有 机物不能持久地吸收微波，但可以借助活性炭吸收微波升温后间接被加热，从而 发生解吸、分解、氧化、炭化。活性炭热再生过程中，一般要经历干燥、高温炭 化及活化三个阶段。活性炭干燥阶段，由于水分子吸收微波的能力大于活性炭， 因此水分子首先获得微波能量，克服范德华力从活性炭表面脱附蒸发，同时带走 一部分溶解其中的低沸点有机物。待水分蒸发完后即进入高温炭化和活化阶段， 活性炭大量吸收微波，吸附在其孔隙内的有机物获得能量发生解吸、脱附、分解、 缩合、氧化、炭化等。此外，在实验过程中还观察到活性炭周围及内部产生大量 火花甚至火弧，这是因为在电磁场作用下，炭粒及有机物的内部的微观粒子高速 旋转，发生激烈摩擦，电子能级跃迁，化学键断裂，生成新的物质所造成的。 微波辐照的第l m i n 内，属于活性炭的干燥阶段，水分子大量吸收微波能量， 故看到的实验现象是水分大量蒸发。这一阶段炭柱外壁上出现了零星火花，这是 因为炭柱内部的水分在蒸发过程中要先克服活性炭颗粒之间的凝聚力和其它阻力 到达炭柱表面后才能逃逸出来，故炭柱外壁水分比炭柱内部水分蒸发的速率快， 1 8 硕士学位论文 从而率先蒸干，进而发生有机物的解吸、脱附、分解、缩合、氧化及炭化。由于 微波加热时间短，能量利用率高，从微波辐照开始至活性炭表面的水分全部蒸发 这一过程通常只需几分钟，因此大大降低了热再生时用于干燥活性炭的能量损耗。 微波辐照的第3 m i n 2 0 m i n 内炭柱红透，火花激烈而频繁，甚至还有火弧。 这是因为这一阶段属于高温炭化阶段，活性炭吸收微波后迅速升至很高的温度， 大量吸附在其表面的有机物随温度升高分别以分解、缩合、炭化、氧化的形式从 活性炭的基质上消除1 4 5 1 。2 0 m i n 以后，火花逐渐变小和减弱，其原因是大量易热 解和氧化的有机物在微波辐照的前2 0 m i n 内发生了分解、缩合、氧化和炭化，剩 余未反应完全或未参与反应的有机物不仅在数量上有所减少，而且其发生上述反 应所需的温度和其它条件也较之前高，故产生的火花数量和强度均减弱，而活性 炭能持久有效地吸收微波能量，故有机物能持续地发生分解炭化直到反应结束。 活化阶段是活性炭再生的关键过程，能不能将孔隙内吸附的有机物完全去除， 并形成良好的孔隙结构和对吸附质的吸附有利的表面化学结构都将取决于此过 程。如采用的活化条件得当，活性炭可产生比再生前更好的吸附能力。在此体系 中，反应结束后活性炭表层出现炭粒烧失灰化现象，这是由于再生反应器内未有 保护气体致使表层炭粒与空气接触在高温下发生了燃烧和氧化的缘故。 2 2 2 实验结果及分析 按2 1 5 的操作方法和步骤对活性炭进行了6 次g a c m 法吸附再生，实验结果见 表2 1 和图2 4 。 表2 1g a c m 法多次再生活性炭试验结果 由表2 1 和图2 4 可知，g a c m 法再生活性炭的效果随着再生次数的增加而下 降，第一次再生能获得较好的再生率( 1 0 1 8 7 ) ，其它几次再生率较低，但多次 再生时增大微波功率和延长辐照时间，活性炭再生率略有提高。此外，第一次再 生后炭质量减少了3 1 0 ，2 6 次再生后炭质量增加了5 5 1 2 ，说明再生不够 彻底，再生炭上可能残留有少量吸附质。 以上结果表明没有载气保护时，g a c m 法多次再生活性炭效果不佳，故本试 验不对该方法作进一步探讨。 1 9 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 摹 v 軎 惫 i 再生次数 图2 4g a c m 法多次再生活性炭效果趋势图 2 3 载气微波法多次再生活性炭可行性试验 6 根据大多数文献报道，为避免活性炭的氧化，活性炭的再生一般在抽真空或 惰性气氛或氧化性气体下进行。有机物经高温炭化后，有部分碳化物残留在活性 炭微孔中，故通常通入水蒸汽、二氧化碳等氧化性气体，使这些碳化物发生水煤 气反应生成c 0 2 、c o 等气体，从而使微孔表面得到清理，恢复其吸附性能。活 性炭的吸附作用大部分是由微孔进行的，吸附量受微孔的支配。微孔的生成，对 应于微量的重量损失就能形成非常大的比表面积。而惰性气体不与活性炭发生反 应，能否改善活性炭的吸附性能，还未尽知晓。接下来以g a c n 2 m 法为代表探索 载气环境下微波多次再生活性炭的可行性。 2 3 1 载氮气微波法再生活性炭实验现象、结果及分析 g a c n 2 m 法再生活性炭前，应先通5 m i n 氮气以便排出反应器中的空气，使活 性炭完全处于载气环境中。与直接微波法观察到的现象一样，微波开启3 m i n 内 是活性炭的干燥过程，并没有产生大的火花，3 m i n 后活性炭周围和内部出现大量 火花甚至火弧，2 0 m i n 后火花有减弱趋势直至反应结束，但再生后活性炭无烧失 现象。具体各项指标的变化情况见表2 2 和图2 5 。 由表2 2 和图2 5 可知，g a c n 2 m 法再生活性炭的效果要优于g a c m 法，且 经6 次再生后，去除率都在6 0 以上，再生率在9 0 左右，且增大微波功率和延 长辐照时间对再生率的提高起了一定的促进作用。随着再生次数的增加，活性炭 质量逐渐增加，但6 次再生后的质量都小于原炭，说明g a c n 2 m 法对孔隙内吸附 的有机物的去除彻底程度要远远高于g a c m 法，且经6 次再生后，再生率还能保 持在9 0 左右，推测其形成了较好的孔隙结构和表面化学结构，故g a c n 2 m 法多 次再生活性炭是可行的。 加 的 加 o l i 硕士学位论文 一去除率 - 人入+ 再生率 一_ 一 再生次数 图2 5g a c n 2 _ m 法多次再生活性炭效果趋势图 2 3 2 载二氧化碳微波法再生活性炭可行性初步探索 此外，本实验还研究了在其它条件都相同的情况下，g a c m 法、g a c n 2 m 法、 g a c c 0 2 m 法三种不同的微波再生方法再生一次后的效果比较，其结果从优到劣依 次是：g a c c 0 2 m 法、g a c n 2 m 法、g a c m 法，由此说明活性炭再生过程中通入载 气能起到很好的保护作用，其中g a c c 0 2 m 法的再生率略高于g a c n 2 m 法的再生 率，这是因为c 0 2 不仅能保护活性炭不被氧化，还能与炭反应生成c o 气体，对 活性炭的开孔、扩孔及增加比表面积都是有利的。 根据以上初步探索实验结果，可以得出以下两个结论：( 1 ) g a c m 法多次再生 活性炭不可行；( 2 ) g a c n 2 m 法多次再生活性炭的效果明显优于g a c m 法，是可行 的活性炭多次再生方法。( 3 ) g a c c 0 2 m 法再生一次的效果略优于g a c n 2 m 法，在 第四章中将进一步论证该方法的可行性及其再生效果。 2 l 乃 胁 柏 加 o f l 摹v 诗求陋 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 4 本章小结 ( 1 ) g a c m 法( 即再生过程中不通入任何气体) 再生活性炭一次的效果是比 理想的，再生率可达到1 0 0 以上，但多次再生后再生率显著降低。 ( 2 ) 微波再生活性炭反应器中通入载气的效果明显优于不通入任何载气的效 ，再生一次后，通c 0 2 的再生率略高于通n 2 时的再生率。g a c n 2 m 法多次再生 性炭是可行的，g a c c 0 2 m 法多次再生活性炭的可行性将在第四章中详细论证。 ( 3 ) 增加微波功率和延长辐照时间可提高活性炭再生率，但对g a c m 法来说， 作用不明显。 硕士学位论文 第3 章载氮气微波法再生载苯酚活性炭试验 在第二章中已对g a c n 2 m 法再生载苯酚活性炭的可行性进行了探讨，即在有 氮气保护的情况下，多次再生活性炭是较为理想的。为进一步探索g a c n 2 m 法再 生载苯酚活性炭效果的影响因素及各个因素的显著性大小，本章将从活性炭用量、 微波功率、辐照时间、含水量以及氮气流量五个因素来做单因素实验，并选择其 中几个因素进行正交实验分析。 3 1 单因素实验 3 1 1 活性炭肘量的影响 在2 0 0 m l 苯酚原水浓度1 0 4 4 3 7 m g l ，微波功率5 0 0 w ，辐照时间3 0 m i n ， 通氮气量o 0 2 5 m 3 h ，进口氮气压力固定为o 5 m p a 的情况下，考察了活性炭用量 2 9 、5 9 、8 9 、1 0 9 、1 2 9 、1 6 9 对去除率、再生率和吸附量的影响，实验结果如图 3 1 所示。 摹 v 糌 酬 障 ， 掰 畿 稍 + 去除率 3 0 0 0 0 2 5 0 o o l 5 0 l 掣 詈 v 棚 蔷 整 活性炭萤( g ) 图3 1 活性炭用量对g a c n 2 m 法再生活性炭效果的影响 从图3 1 中可以看出，随着活性炭用量的增加，吸附量逐渐减小；活性炭量 在o 5 9 内时再生率随炭量的增加而增大，超过5 9 时再生率随炭量增加有下降趋 势；去除率随炭量的增加而增加。 由于实验采用的椰壳活性炭对苯酚的吸附属f r e u n d l i c h 型1 5 6 j ，即活性炭对苯 酚的吸附与平衡浓度有关，平衡浓度越高，吸附量也越高，吸附量没有上限值， 而所谓的吸附饱和炭是针对某一个特定的平衡浓度而言。故在相同苯酚量的前提 下，投入的活性炭量越多，其吸附表面积越大，去除的苯酚绝对量越多，去除率 越高，从而平衡浓度越低，吸附量逐渐减小。 加 舳 印 柏 加 o 载苯酚活性炭的微波法再生试验研究 活性炭再生率与炭量的关系可以从以下几个方面老考虑： ( 1 ) 活性炭吸收的微波的功率p ：微波加热与传统加热方式不同，属于“体加热 形式1 5 ，即吸收的微波功率与物料体积成正比，而物料的质量与体积成正比，故 活性炭质量越大，吸收微波的功率越大，活性炭吸收微波的功率p 【5 9 1 为： 尸= ( 1 1 8 ) 归2 0 t a n 万y 1 0 一1 2 ( 3 1 ) 式中p 为活性炭吸收的微波功率，w ；f 为微波的频率，h z ；e 为电场强度，v c m ； t a l l 万为介质的损耗系数；，为活性炭的介质常数；v 为活性炭的体积，c m 3 。 ( 2 ) 活性炭向周围环境的传热速率矽：在活性炭吸收微波功率的同时也与周围环 境发生热传递，传递速率与活性炭的表面积成正比，传递方程可表示为： = 睇爿( i 一瓦) ( 3 2 ) 式中，矽为活性炭向周围环境的传热速率，w ；k 为总传热系数，w ( c m 2 k ) ； a 为活性炭层的表面积，c mz ；为活性炭