CN104084181B

CN104084181B - 吸附剂用炭纤维的一种电化学再生方法

Info

Publication number: CN104084181B
Application number: CN201410332349.5A
Authority: CN
Inventors: 贾哲华; 王瑾; 赵有华
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: CN104084181A

Abstract

吸附剂用炭纤维的一种电化学再生方法，涉及吸附剂的再生技术领域，通过超声空化效应来解决再生过程氧化剂向吸附剂传质过程的外扩散阻力，同时提高COD去除率。再生过程中，先将吸附苯酚饱和的活性炭纤维置于阳极区或分散于电解液中，然后启动超声发生装置，在适宜电压下对吸附剂进行电化学再生；一段时间后取出吸附剂，水洗、烘干后，进行后续吸附—再生循环操作。本发明设备简单，操作条件温，并可有效避免活性炭纤维在再生过程中的较大损耗；通过超声和电化学协同再生，可针对性解决外扩散传质阻力较大的问题，同时大幅提高了过程的COD去除率。

Description

吸附剂用炭纤维的一种电化学再生方法

技术领域

本发明涉及吸附剂的再生技术领域，特别是经过于吸附法处理后含酚废水的活性炭纤维的再生处理工艺。

技术背景

含酚废水（苯酚及其衍生物）来源广泛，且其组成及浓度根据来源与工艺的不同有较大的差异。吸附法在废水处理上具有广谱的特点，可以有效用于各类含酚废水，尤其是较低浓度含酚废水的处理。多孔的活性炭材料是最常使用的经济有效的吸附剂，常见的多孔活性炭材料有粉末炭(PAC)、颗粒炭(GAC)、炭纤维(ACF)等。其中，活性炭纤维材料相比其他形貌的活性炭，具有更为巨大的比表面积和传质方面的优越性。巨大的比表面提供了更多的吸附活性位，纤维的结构特点则可将传质过程由三维简化为一维传质，减小了内外扩散阻力。

吸附苯酚饱和的活性炭需要进行再生，以恢复其吸附能力，从而实现重复利用。

常用的再生方法主要有热再生法、生物再生法、化学再生法及电化学再生法。电化学再生法的原理是通过电极反应产生氧化剂(如·OH、O₂)，氧化剂向吸附剂表面传质并与其发生作用从而达到再生的目的，而吸附质在再生过程中被氧化降解为较小的分子甚至CO₂和H₂O。另一方面，电化学再生过程中，电极反应大都伴随着气态产物的产生（如O₂和H₂等），这些微小的气泡会分散在溶液体系中并进一步被吸附剂吸附。这样，被吸附的气泡会成为后续再生过程氧化剂向吸附剂表面扩散的传质阻力，从而使传质过程成为再生动力学中的控制步骤。

因此，在吸附剂的电化学再生处理工艺中，如何有效消除由于穿透气泡（或气膜）和孔道内传质过程存在的内外扩散阻力，是电化学再生装置设计与再生方法是否有效的关键因素。

发明内容

本发明的目的是开发一种简易、有效的吸附剂用炭纤维的电化学再生方法。

本发明技术方案是：采用超声发生装置，将吸附苯酚饱和的活性炭纤维置于三相电化学反应器的阳极区或分散于电解液中，在工作电流为12mA·cm^-2、超声功率为100～150W的条件下进行电化学再生处理，然后取出活性炭纤维，以水洗、烘干。

本发明通过超声场空化效应来减小传质阻力，增强传质效果。再生过程中电极反应的气态产物包括O₂和H₂等，分散在系统中并被吸附剂吸附，从而在外壁形成新的外扩散传质阻力。超声的强化作用体现在两个方面：1、超声空化产生的机械效应对外扩散的增强效应，有利用克服液膜再生的外扩散阻力；2、超声空化伴随的活化效应产生的新的·OH，从而有效提高反应器的COD去除率。

本发明的机理：提高传质的有效手段为各种能场作用下提高反应系统中液流的宏观湍动，从而强化界面或表面间的物质传递效果。而超声波在强化传质方面具有独特的优势。超声过程伴随的空化现象会伴随产生四种效应：

1、机械效应（声冲流，冲击波，微射流)）；

2、热效应（局部高温高压，整体升温）；

3、光效应（声致发光）；

4、活化效应（水溶液产生羟基自由基）。

以上四种效应相互促进，从而使超声场具有强化传质和反应的双重作用。再生条件温和，可有效避免再生过程活性炭纤维的较大损耗。通过超声场的强化，既可解决气膜造成的外扩散传质阻力较大的问题，又可大幅提高再生过程的COD去除率，提高过程的经济性和环境友好性。基于此，在超声场作用下对吸苯酚的活性炭纤维进行电化学再生，经上述工艺处理后的活性炭纤维，再生率可达66.1%，可以再进行后续吸附，再生后的COD去除率至少为24.7%。

另外，本发明的电解液优选为NaNO₃水溶液。采用NaCl为电解质，阳极会产生次氯酸。次氯酸和苯酚反应容易产生难降解的含氯有机物。实验表明：以NaNO3为电解质的COD去除率为38.1%，比以NaCl为电解质时高10%左右。综合考虑，采用NaNO3为电解质。

再生过程中，电解液温度越高，再生率和COD的去除率越大。实验表明：电解液温度为50℃时的再生率为68.2%比20℃时高5%左右，COD去除率为40.5%比20℃时提高15%左右。因此，本发明再生处理时电解液的温度为20～50℃。

再生过程中，当电解液的pH=3时再生率为64.3%，比pH=9时再生率提高15%左右，COD的去除率为38.1%比pH=9时提高15%左右。因此，本发明所述电解液的pH值为3～9。

由于经过2h的再生试验后，再生率能够达到70%左右，COD的去除率可以达到35%以上。所以本发明所述超声处理时间为1～2h。

所述超声处理时，以β-PbO₂电极为阳极，Cu板电极为阴极。本发明采用了β-PbO₂为阳极，该电极在工作过程中可以产生羟基自由基。羟基自由基的氧化性仅次于氟，因此再生效果大大提高。实验表明：采用β-PbO₂为阳极比采用普通电极（如石墨，不锈钢电极）提高45%左右。另外，采用超声发生装置，利用超声场空化效应来减小传质阻力，增强传质效果，可以有效的提高活性炭纤维的再生率和COD去除率。

具体实施方式

实施例1：

称取0.3g活性炭纤维放入初始浓度为1500ppm的苯酚溶液中吸附至饱和后，将其置于超声电化学再生反应器中阳极区再生。

再生反应器以β-PbO₂为阳极，Cu板为阴极；5g·L^-1的NaNO₃水溶液为电解液，调节pH值至3；工作电流为12mA·cm^-2；超声功率为150W；在电解液的温度为20℃的条件下再生处理2h。

取出活性炭纤维经水洗、烘干后，用于后继续进行吸附实验。初次再生后，再生率为64.5%，COD去除率为43.7%。

实施例2：

称取0.3g活性炭纤维放入初始浓度为1500ppm的苯酚溶液中吸附至饱和后，将其置于超声电化学再生反应器中，分散于电解液中再生。

再生反应器以β-PbO₂为阳极，Cu板为阴极；5g·L^-1的NaNO₃水溶液为电解液，调节pH值至3；工作电流为12mA·cm^-2；超声功率为100W；在电解液的温度为35℃的条件下再生处理2h。

取出活性炭纤维经水洗、烘干后，用于后继续进行吸附实验。初次再生后，再生率为66.1%，COD去除率为41.6%。

实施例3：

再生反应器以β-PbO₂为阳极，Cu板为阴极；5g·L^-1的NaNO₃水溶液为电解液，调节pH值至9；工作电流为12mA·cm^-2；超声功率为100W；在电解液的温度为20℃的条件下再生处理2h。

取出活性炭纤维经水洗、烘干后，用于后继续进行吸附实验。初次再生后，再生率为54.3%，COD去除率为24.7%。

实施例4：

再生反应器以β-PbO₂为阳极，Cu板为阴极；5g·L^-1的NaNO₃水溶液为电解液，调节pH值至3；工作电流为12mA·cm^-2；超声功率为100W；在电解液的温度为20℃的条件下再生处理1h。

取出活性炭纤维经水洗、烘干后，用于后继续进行吸附实验。初次再生后，再生率为58.7%，COD去除率为28.7%。

Claims

1.吸附剂用炭纤维的一种电化学再生方法，采用超声发生装置，将吸附苯酚饱和的活性炭纤维置于三相电化学反应器的阳极区或分散于电解液中，在工作电流为12mA·cm^-2、超声功率为100～150W的条件下进行电化学再生处理，然后取出活性炭纤维，水洗、烘干；其特征在于电解液为NaNO₃水溶液；电解液的浓度为5g/L；超声处理时，以β-PbO₂电极为阳极，Cu板电极为阴极。

2.根据权利要求1所述再生方法，其特征在于再生处理时电解液的温度为20～50℃。

3.根据权利要求1所述再生方法，其特征在于所述电解液的pH值为3～9。

4.根据权利要求1所述再生方法，其特征在于所述超声处理时间为1～2h。