宋 京，秦松巖，趙立新

（天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

活性炭的再生[1]是指通過工藝方法將吸附質(zhì)從活性炭中解吸出來(lái)，使活性炭恢復(fù)吸附能力的過程?，F(xiàn)有的活性炭再生技術(shù)包括熱再生法[2]、化學(xué)再生法[3]和生物再生法[4]等，但上述方法存在再生效率低下等缺點(diǎn)[5]。電化學(xué)再生主要通過電極與活性炭表面電解質(zhì)的氧化還原反應(yīng)對(duì)飽和活性炭進(jìn)行脫附，實(shí)現(xiàn)再生目的。魏代波等[6-7]研究表明活性炭電化學(xué)技術(shù)再生的可能性。但這些研究主要是對(duì)活性炭再生效率進(jìn)行客觀表征，未對(duì)電化學(xué)再生機(jī)理做詳細(xì)探討。

本文選取5種活性炭，研究不同吸附飽和的活性炭的電化學(xué)再生效率。同時(shí)對(duì)再生前后活性炭微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行表征，探索活性炭電化學(xué)再生機(jī)理。微觀結(jié)構(gòu)表征手段包括孔徑分布測(cè)定、FIRT測(cè)定等，重點(diǎn)探索再生過程中，活性炭官能團(tuán)、微觀孔徑等的演變規(guī)律。

1 材料與方法

ZHWY200B恒溫振蕩培養(yǎng)器（上海智誠(chéng)分析儀器公司），GC-2010Plus氣相色譜儀（日本島津公司），ChemStar 型全自動(dòng)催化劑表征儀，傅立葉紅外光譜儀（日本島津公司）。

2，4-二硝基甲苯（A.R，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司），鹽酸（A.R，天津市化學(xué)試劑五廠），氯化鈉（A.R，天津市化學(xué)試劑五廠），木質(zhì)柱狀炭C-1（河南環(huán)宇工業(yè)有限公司），木質(zhì)柱狀炭C-2（河南環(huán)盛炭業(yè)有限公司），木質(zhì)柱狀炭C-3（平頂山綠林炭業(yè)有限公司），木質(zhì)柱狀炭C-4（安陽(yáng)新原化工有限公司），木質(zhì)柱狀炭C-5（河南康諾炭業(yè)有限公司）。

實(shí)驗(yàn)裝置主要由直流電源、500mL燒杯、磁力攪拌器、轉(zhuǎn)子和兩塊3×4mm石墨電極組成，如圖1所示。

1.1 模擬廢水的選擇

2，4-DNT水溶液作為吸附質(zhì)進(jìn)行吸附。

圖1 電化學(xué)裝置簡(jiǎn)圖

1.2 飽和活性炭制備

采用循環(huán)吸附法進(jìn)行飽和活性炭制備，飽和吸附量可由式（1）計(jì)算。

式中：qe為飽和吸附量，mg/g；C0為2，4-DNT溶液初始濃度，mg/L；Ce為吸附飽和時(shí)2，4-DNT的濃度，mg/L；V為溶液體積，mL；m為活性炭質(zhì)量，g。

1.3 再生效率的評(píng)價(jià)

再生后的活性炭用去離子水沖洗干凈，置于烘箱中于 100 ℃烘干后，重新置于質(zhì)量濃度為 100mg/L 的2，4-DNT 溶液中進(jìn)行再生后吸附，按式（2）計(jì)算活性炭再生率（α，%）。

式中：q0為新鮮活性炭飽和炭吸附量，mg/g；q1為再生活性炭的飽和吸附，mg/g。

1.4 表征方法

根據(jù)HJ592-2010[8]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定溶液中2，4-DNT。用掃描電鏡測(cè)得活性炭SEM圖，用 BET方法求得比表面積；使用傅立葉紅外光譜儀測(cè)定表面官能團(tuán)的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭孔結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖2的分析可知，電化學(xué)再生過程對(duì)于活性炭的比表面積及孔結(jié)構(gòu)等都具有一定的恢復(fù)效果。C-2活性炭比表面積與孔體積恢復(fù)效果較好，比表面積可恢復(fù)至634m2/g。再生前后孔徑分布可以看出，活性炭孔徑分布主要以微孔為主，再生過后的活性炭微孔數(shù)量有所恢復(fù)。

圖2 活性炭再生前后比表面積變化

2.2 紅外光譜分析

對(duì)各樣品紅外光譜分析可知，吸附飽和的活性炭在3 680、2 240、1 350、887cm-1峰信號(hào)較弱，表面官能團(tuán)數(shù)量較少，對(duì)2，4-DNT吸附能力降低。對(duì)再生后活性炭紅外光譜圖進(jìn)行分析，在1 500～1 600cm-1有多處吸收峰，其中包含歸屬于芳環(huán)中C-H鍵的彎曲振動(dòng)，C-O鍵的伸縮振動(dòng)和甲基、亞甲基的剪切振動(dòng)[9]。這是由于電解過程活性炭表面羰基、羧基等含氧官能團(tuán)增多造成的。其中，C-2型活性炭電化學(xué)再生過后紅外圖譜峰種類較多，表明再生過程中產(chǎn)生豐富的含氧官能團(tuán)，再生效果較好。

2.3 電化學(xué)再生效率

從圖3可知，隨著電解時(shí)間的增加，活性炭再生效率呈增加趨勢(shì)。其中，C-2活性炭在相同條件下再生效果最好，效率最高可達(dá)到92.5%。C-5活性炭再生效率最低，僅為85.2%。這可能是因?yàn)椴煌吞?hào)的活性炭比表面積不同，同時(shí)還與所含的官能團(tuán)種類及數(shù)量差異有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

1）再生過程中會(huì)產(chǎn)生含氧官能團(tuán)，提高吸附質(zhì)的解吸能力。同時(shí)，比表面積和孔體積也會(huì)隨著再生過程慢慢恢復(fù)，但無(wú)法達(dá)到原有的水平。

2）再生效率隨著再生時(shí)間增加而增加，達(dá)到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。C-2再生效率較為優(yōu)越，最高可達(dá)92.5%。

圖3 不同類型的活性炭再生效率隨時(shí)間的變化