活性炭的電化學(xué)再生機(jī)理課件

1、廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）活性炭的電化學(xué)再生機(jī)理張會(huì)平，傅志鴻，葉李藝，鐘輝（廈門大學(xué)化學(xué)工程系，福建廈門361005）通過研究pH值對(duì)苯酚在活性炭上的吸附平衡的影響，活性炭在不同電極上的電化學(xué)再生效率和循環(huán)再生對(duì)活性炭再生效率的影響，結(jié)合以前的有關(guān)研究結(jié)果分析認(rèn)為活性炭的電化學(xué)再生過程機(jī)理中包括電脫附， NaO H堿再生， NaClO化學(xué)氧化等過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電化學(xué)再生活性炭具有較高的再生效率?；钚蕴课皆偕娀瘜W(xué)活性炭作為一種多孔吸附材料，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)極其發(fā)達(dá)，其比表面積較高，具有良好的吸附性能，在溶劑回收、空氣凈化、脫硫、水及廢水處理等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。活性炭本身價(jià)格較高，如果

2、活性炭使用后能夠進(jìn)行合理再生而循環(huán)使用，勢(shì)必會(huì)節(jié)約成本，減少資源浪費(fèi)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格實(shí)施，工業(yè)三廢的治理日益成為人們十分關(guān)注的問題。活性炭作為一種良好的水質(zhì)凈化材料，廣泛應(yīng)用于脫除工業(yè)和城市污水中的有機(jī)局限性，存在著這樣和那樣難以克服的問題。如何開拓一項(xiàng)新型的基本沒有二次污染的活性炭再生工藝技術(shù)，是一項(xiàng)既有理論意義又有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究課題。本研究是國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的一部分，在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用電化學(xué)方法再生活性炭，研究電化學(xué)再生活性炭的再生機(jī)理，為今后將電化學(xué)工程技術(shù)與化工吸附分離工程相結(jié)合，研究開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可面積為1 205 m /g.四氯化碳吸

3、附值為58 ，強(qiáng)度為95 .實(shí)驗(yàn)所用含酚廢水是由化學(xué)試劑和去離子水配制而成。實(shí)驗(yàn)所用電極均是采用金屬鉑電極。溶液中的苯酚濃度采用4氨基安替比林鐵氰化鉀光度比色法進(jìn)行測(cè)定。 721型分光光度計(jì)和PHS4C型PH計(jì)是廈門分析儀器廠和廈門第二分析儀器廠生產(chǎn)的。 X HDI型恒電位儀是廈門大學(xué)分析儀器廠生產(chǎn)的。為防止活性炭上存在的無機(jī)鹽及其他雜質(zhì)的干擾，活性炭在使用前需進(jìn)行預(yù)處理，即活性炭首先要在去離子水中煮沸約1 h，然后濾去水及活性炭粉塵，最后在105下烘干鈉溶液。實(shí)驗(yàn)中，采用吸附平衡的瓶點(diǎn)測(cè)試方法，在一定酚水濃度和25溫度條件下，將定量活性炭與酚水充分接觸，在恒溫振蕩器中恒溫振蕩，以便活性炭吸附

4、苯酚達(dá)到飽和，然后，將飽和后的活性炭置于電解槽中所選擇的電極上進(jìn)行電化學(xué)再生，再生后的活性炭移入柱塞錐形瓶?jī)?nèi)與相同條件下的酚水進(jìn)行二次吸附飽和。根據(jù)電化學(xué)再生前后活性炭對(duì)苯酚的飽和吸附量的大小和再生時(shí)間等因素。鐘輝已經(jīng)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。本文從活性炭所在電極，電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，間歇攪拌槽的再生，多次再生等方面來探討活性炭的電化學(xué)再生機(jī)理，為后續(xù)研究工作和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2. 1 pH值對(duì)苯酚在活性炭上的吸附平衡的影響的影響采用鹽酸與氫氧化鈉來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)苯酚溶液的pH值，測(cè)定苯酚在活性炭的平衡吸附值，研究值對(duì)活性炭對(duì)苯酚的吸附平衡的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，苯酚在活性炭上的平衡吸附

5、量隨著溶液的pH值的增加而增加，當(dāng)p H值在67的范圍內(nèi)，溶液呈弱酸性時(shí)達(dá)到最大值。隨著pH值的逐步增加，溶液堿性的逐步增強(qiáng)，也就是當(dāng)pH值大于8時(shí)，苯酚的吸附量呈明顯的下降趨勢(shì)，這說明了較高p H值條件下有利于苯酚在活性炭上的脫附。2. 2再生時(shí)活性炭所在電極對(duì)再生效率的影響實(shí)驗(yàn)選擇為輔助電解質(zhì)，電解質(zhì)溶液濃度為1 ，每次用量為800 mL，電極板間距為1. 8 cm，再生時(shí)間為5 h.在不同的再生電流條件下，分別將活性炭放在陽極或陰極上進(jìn)行再生，按照前述方法測(cè)定活性炭的再生效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，活性炭在陰極上的再生效率比在陽極上的再生效率明顯要高，同上方凝聚成白色泡沫

6、。電解液略顯暗褐色，電解槽中有不愉快的氣味。電解液中有一定量的殘留酚?；钚蕴吭陉枠O上的再生效率較低，電解液透明，電解液中基本沒有酚殘留。對(duì)于陰極上再生出現(xiàn)電解液不透明，有氣味和電解液有殘留酚，通過提高電解質(zhì)溶液濃度可以得到解決，電解質(zhì)溶液濃度為2即可行。此時(shí)，陽極和陰極的再生都完全透明，電解液中均基本沒有殘留酚。5 h條件下，以新炭為參考，循環(huán)測(cè)定了用苯酚吸附飽和后活性炭的電化學(xué)再生效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看效率的影響出，活性炭的電化學(xué)再生效率隨著再生次數(shù)的增加有所下降，除了第一次再生后，相對(duì)于新鮮炭而言，吸附平衡之下降近25 ，以后循環(huán)再生，再生效率有所下降但下降不是十分明顯。這

7、說明苯酚在活性炭?jī)?nèi)微孔中有部分苯酚殘留?；钚蕴吭谒拇卧偕h(huán)后仍然有較高的吸附能力而且隨再生循環(huán)的增加，活性炭的再生效率下降越來越慢。這表明活性炭采用電化學(xué)方法進(jìn)行再生在工業(yè)上進(jìn)行應(yīng)用是比較有前景的。2. 4強(qiáng)化傳質(zhì)對(duì)再生效率的影響為了進(jìn)一步進(jìn)行再生機(jī)理的研究，消除傳質(zhì)擴(kuò)散的影響，在間歇式電化學(xué)攪拌槽反應(yīng)器中，通過強(qiáng)制攪拌強(qiáng)化傳質(zhì)，測(cè)定了活性炭的再生效率和溶液中苯酚濃度隨著再生時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示，最終活性炭總的電化學(xué)再生效率可以達(dá)到85. 2 .通過對(duì)再生體系進(jìn)行機(jī)械攪拌，增加溶液的湍動(dòng)程度，確實(shí)可以提高其再生效率。3討論與分析由于再生液中成分復(fù)雜，有OH等強(qiáng)氧化物質(zhì)，再生過程中可能存在

8、多種反應(yīng)。從再生液的成分，活性炭在不同再生區(qū)域的再生效果以及在再生過程中再生液中苯酚濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，我們認(rèn)為電化學(xué)再生活性炭過程中應(yīng)該包括電脫附堿再生化學(xué)氧化再生等過程，吸附在活性炭上的苯酚在電場(chǎng)的電脫附或O H的堿再生作用下脫附至再生液中，一部分脫附的苯酚被再生液中的強(qiáng)氧化劑如Cl 2， NaClO等強(qiáng)氧化劑氧化分解，而另一部分則可能擴(kuò)散至陽極，在陽極上氧化分解。由于電化學(xué)再生活性炭過程綜合多種再生過程的優(yōu)點(diǎn)，必然會(huì)顯示出比其它再生方法更佳的性質(zhì)。我們?cè)诹私膺@個(gè)機(jī)理的基礎(chǔ)上就隨時(shí)間的變化關(guān)系能進(jìn)行電化學(xué)再生活性炭過程的進(jìn)一步放大研究。采用石墨、鉑等不溶性陽極，對(duì)含有氯離子的再生液進(jìn)行電

9、解時(shí)，在陽極上會(huì)析出氧氣和氯氣，由于新生態(tài)的氧和氯以及過程中生成的等具有很強(qiáng)的氧化性，能使水中溶解的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化而分解。其反應(yīng)過程可表示如下。1）在陽極上析出氧氣和氯氣2）在陰極上有O H生成3）由于再生裝置無隔膜，在水中發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)4）少量反應(yīng)生成的ClO可在陽極氧化生成氯酸和初生態(tài)氧鐘輝對(duì)活性炭電化學(xué)再生的再生機(jī)理進(jìn)行了初步探討，提出活性炭在不同再生區(qū)域有不同的再生效果，認(rèn)為陰極再生比陽極再生效率更高，陽極再生在再生液中幾乎沒有苯酚殘余，而陰極再生在再生液中會(huì)留下很少的苯酚殘余。本文通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和分析初步認(rèn)為活性炭在陰極再生時(shí)，由于陰極區(qū)的O H生成增加了陰極區(qū)溶液的值，使

10、陰極區(qū)溶液顯堿性，增強(qiáng)了苯酚的脫附能力陽極區(qū)溶液的p H值為67之間，呈弱酸性，此時(shí)苯酚在活性炭上的吸附達(dá)到極大值難以脫附，這樣陰極再生活性炭的再生效率會(huì)明顯高于陽極再生。在陰極再生時(shí)，從活性炭上脫附的苯酚由于傳質(zhì)擴(kuò)散控制，導(dǎo)致溶液中苯酚來不及遷移到陽極區(qū)去降解，從而使陰極區(qū)的殘余苯酚量要大，通過提高電解質(zhì)溶液的濃度，可以解決此問題。在陽極再生時(shí)，陽極區(qū)是再生過程的氧化物濃度較高的地方，因此在陽極區(qū)苯酚的殘余物較少。4結(jié)論1）溶液p H值在67的范圍內(nèi)，苯酚在活性炭上的平衡吸附量達(dá)到最大值。而在pH值8的范圍內(nèi)，活性炭吸附苯酚的能力呈線性下降趨勢(shì)，較高pH值條件下有利于苯酚在活性炭上的脫附。2）活性炭在進(jìn)行電化學(xué)再生時(shí)，在陰極區(qū)再生的再生效率比在陽極區(qū)的要高。循環(huán)進(jìn)行電化學(xué)再生活性炭，其再生效果較好，活性炭的吸附性能下降趨勢(shì)不是十分明顯。采用間歇攪拌槽電化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行活性炭再生，再生效率可以達(dá)到85以上。通過強(qiáng)制攪拌強(qiáng)化傳質(zhì)過程，可以顯著提高活性炭的電化學(xué)再生效率。3）電化學(xué)再生活性炭過程包括苯酚從活性炭上脫附到溶液中，再被溶液中的強(qiáng)氧化劑所降解。電化學(xué)再生活性炭過程機(jī)理中包括電脫附， NaO H堿再生， NaClO化學(xué)氧化等過程。？廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2000年 9 范順利等。酚在活性炭上的吸附與堿法再生的可行性探討 J ，河南