CN113680340B - 一种基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热‑液相原位再生方法,属水处理技术领域。本发明将连续变频超声、臭氧溶液、低温热液相再生进行协同作用,粉末活性炭可原位再生及回用,降低了再生成本,克服了传统热再生法过程中存在的诸多缺陷。连续变频超声波可进一步强化臭氧溶液中臭氧分子在活性炭孔隙、孔道中的迁移和传质作用,有效避免再生过程中活性炭孔隙结构破坏,显著强化了再生效果。本发明克服了常规固定频率超声波、臭氧气泡、溶剂等再生方式的缺点,粉末活性炭再生效果得到明显改善和优化。本发明可根据粉末炭中吸附的污染物特性及再生要求再生液组成与温度、优化超声波作用参数,具有较好的适用范围。
Description
技术领域
本发明属水处理技术领域,尤其涉及一种水处理用废弃粉末活性炭再生方法。
背景技术
粉末活性炭具有发达的孔隙结构及稳定的理化性质,可以吸附水中各类污染物,已广泛应用于水源水质净化、水质应急处理、城市污水和工业废水的深度处理等领域。由于活性炭价格昂贵,在水处理领域中大多要考虑再生与回用问题。采用高效的再生技术,可实现粉末活性炭循环利用,减少废弃粉末活性炭量,提高粉末活性炭使用效率,降低工艺运行成本。热再生方法是通过外加热源方式使吸附质解吸、炭化和氧化分解,最终变成气体逸出,该方法的工业应用最多、再生工艺最成熟,但存在成本高、再生过程复杂、需要专业厂家等问题,经常无法满足水处理工艺的需求。研发和采用高效的活性炭再生技术,以简化再生程序、提高再生率、减少炭质量损失、降低再生成本,是活性炭应用领域亟需解决的技术难题。
目前,活性炭再生方法除了热再生法之外,还有超声波再生、臭氧再生及溶剂再生等以物理作用、化学作用以及多种作用相结合的再生技术。其中,超声波再生法主要适用于活性炭物理吸附的再生,现有的超声波再生方法大多使用固定频率的超声波再生活性炭,空化泡溃灭时产生的高速微射流和高压冲击波集中作用于PAC固定范围的孔径通道。为了提高超声波再生法的再生效果往往需要提高功率或延长作用时间,但高能量及长时间的超声波作用易造成活性炭孔径结构破坏,影响其再次吸附能力,同时也增加了能耗。臭氧再生法可在原位进行,再生效果较好。现有臭氧再生法中往往通过臭氧气泡与粉末活性炭接触反应以实现活性炭中吸附质降解,但臭氧气泡在水中的分解程度受水质影响较大,臭氧气泡与活性炭反应接触时间短、有效接触位点仅局限于活性炭表面,气体传质效率低,大量未反应的臭氧气体易从再生体系释放至空气中,造成运行效率低下。如果采用臭氧溶液则可以有效解决臭氧气泡存在的传质差、接触时间短、无法进入活性炭孔道问题。将再生液加温可以加强液相传质作用,也可使易解吸的污染物从粉末活性炭上可逆性脱附,同时提高再生液溶剂、臭氧、污染物等在活性炭表面和孔道中的传质和扩散作用。
超声波频率对空化泡的运动状态和存在形式有显著影响。随着超声波频率的增加,空化泡的数量呈线性增加,空化泡尺寸越小,更小更密集的空化泡可冲击更细小的粉末活性炭孔隙。通过改变频率可使空化泡充分作用于各种尺寸的粉末活性炭内外孔隙通道,使得再生效率显著提高。pH值对臭氧在水中分解及反应的影响很大,通过调节pH之可以显著改变臭氧在水中的溶解度。在酸性条件下臭氧分子直接反应占主导,在碱性条件下羟基自由基(·OH)氧化反应占主导。在超声波作用下,臭氧分解产生其他具有更高活性的如·OH等的自由基,使得传质速率常数增大。超声波可增加水的混合程度和紊动强度,降低液膜厚度,减少阻力,增大传质系数,从而提高臭氧的传质速率。臭氧在超声作用下也可以产生双氧水和羟基自由基,使反应速率得到提高。如何利用这些活性炭再生技术的优势与特点,研发和建立新型再生模式,是活性炭再生和回用领域面临的新挑战。
本发明将连续变频超声、臭氧溶液、低温热液相再生进行协同作用,构建了基于连续变频超声波-臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法。饱和粉末活性炭在低温热再生液中再生后,部分污染物实现可逆脱附,臭氧溶液中的臭氧分子与粉末活性炭内外孔隙的吸附位点接触更加充分,连续变频超声产生大小不均空化泡可催化、激活水中臭氧分子,使得粉末活性炭吸附的污染物及部分脱附污染物被原位解吸和降解,粉末活性炭内外孔隙均得到充分再生,耦合作用显著强化了再生效果,有效避免再生过程中活性炭孔隙结构破坏,克服了传统热再生法过程中存在的诸多缺陷。连续变频超声波可进一步强化臭氧溶液中的臭氧分子在活性炭孔隙、孔道中的迁移和传质作用,产生高活性自由基、提高臭氧利用率、增强氧化降解效能,克服了常规固定频率超声波、臭氧气泡、溶剂等再生方式的缺点,在再生液中采用连续变频超声-臭氧溶液耦合作用对饱和粉末活性炭进行再生,也使得粉末活性炭的再生效率得到明显改善和优化。
发明内容
本发明提供了一种基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法,通过将连续变频超声波、臭氧溶液、低温热液相再生的协同作用,构建了基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法,以解决饱和粉末活性炭再生过程需专业厂家再生、能耗高、尾气二次污染等问题。
发明所采用的方案如下:
一种基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在饱和粉末活性炭沉淀浓缩液中直接加入一定浓度的再生液,并以100-150rpm持续搅拌,同时加热至一定温度,形成粉末活性炭的低温热混合液;
(2)在粉末活性炭低温热混合液中投加臭氧溶液,以100-150rpm持续搅拌5-10min,形成粉末活性炭的低温热臭氧混合液;
(3)粉末活性炭低温热臭氧混合液采用连续变频的超声波作用0-60min并以100-150rpm持续搅拌,再对再生粉末活性炭进行沉淀和分离,即可直接进行回用。
进一步优选,所述的再生液为强酸或强碱、复合酸液或复合碱液,粉末活性炭的低温热混合液中对应的酸或碱的浓度为0.05-0.5mM,或者再生液为乙醇或甲醇等有机溶剂,饱和粉末活性炭沉淀浓缩液中有机溶剂的体积比为10-100%;所述的粉末活性炭的低温热混合液的温度为50℃-90℃;
进一步优选,所述的粉末活性炭的低温热臭氧混合液中臭氧的浓度为0.5-5mg/L;
进一步优选,所述的连续变频超声波的频率变化幅度依据粉末活性炭粒径范围和孔道孔径范围确定;当粉末活性炭粒径在5-300目、平均孔径2-4nm范围时,粉末活性炭的再生效能与超声波频率之间存在最佳区间;从超声波开始作用的0-5min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在20-40kHz的区间频率逐渐增加;从超声波开始作用的5-30min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在35-100kHz的区间频率逐渐增加;从超声波开始作用的时间大于30min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在20-35kHz的区间频率逐渐增加;上述不同作用时间段内超声波连续变频的循环周期为2-5min,每个作用时间段的循环周期相同或不同。
本发明的优点:
(1)该方法通过连续变频超声波与臭氧溶液的协同作用,在低温热再生液的液相中原位再生饱和粉末活性炭,再生后的粉末活性炭可直接回用到水处理工艺中,解决了粉末活性炭常规热再生法存在的需专业厂家、能耗高、炭量损失大等问题。
(2)连续变频超声可进一步强化臭氧溶液中的臭氧分子在活性炭孔隙、孔道中的迁移和传质作用,臭氧溶液与粉末活性炭吸附位点接触效率更高,提高臭氧氧化的利用效能,显著提升活性炭再生效果。
(3)可根据饱和粉末活性炭吸附的污染物特性及再生要求调节再生液组成与温度、优化超声波作用参数,具有较好的适用范围。
具体实施方式
通过以下实例对本发明作详细说明,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1:在浓度为5000mg/L的吸附对氯苯酚的饱和粉末活性炭浓缩液中加入0.05mM氢氧化钠的再生液,并以120rpm进行搅拌,加热再生液至70℃,形成低温热混合液。向低温热混合液中投加臭氧溶液,低温热臭氧混合液中臭氧的浓度为1mg/L,以100rpm持续搅拌5min,形成粉末活性炭的低温热臭氧混合液。打开变频超声,超声作用总时间为45min,其中,0-5min时间段的超声波连续变频循环区间为20-40kHz,循环周期为5min;作用5-30min时间段的超声波连续变频循环区间为35-100kHz,循环周期为5min;作用30-45min时间段的超声波连续变频循环区间为20-35kHz,循环周期为5min。将处理后的粉末活性炭进行沉淀分离后直接进行回用。采用煤质粉末活性炭作为吸附材料,粉末活性炭粒径为200目,平均孔径为2.24nm,新炭吸附容量155.05mg/g,经过再生处理后,活性炭吸附容量恢复至147.30mg/g,再生率达95%。
实施例2:在浓度为2000mg/L的吸附活性蓝81的饱和粉末活性炭浓缩液中加入0.05mM盐酸的再生液,并以120rpm进行搅拌,加热再生液至50℃,形成低温热混合液。向低温热混合液中投加臭氧溶液,低温热臭氧混合液中臭氧的浓度为0.5mg/L,以100rpm持续搅拌5min,形成粉末活性炭的低温热臭氧混合液。打开变频超声,超声作用时间持续30min,其中,0-5min时的超声波连续变频循环区间为20-40kHz,超声波连续变频的循环周期为2.5min;作用5-30min时的超声波连续变频循环区间为35-100kHz,超声波连续变频的循环周期为5min。将处理后的粉末活性炭承担分离直接进行回用。粉末活性炭为煤质,粒径为200目,平均孔径为2.99nm,新炭吸附容量397.33mg/g,经过再生处理后,活性炭吸附容量恢复至337.8mg/g,再生率达85%。
实施例3:在浓度为5000mg/L的吸附丙酮的饱和粉末活性炭浓缩液中加入0.1mM氢氧化钠的再生液,并以150rpm进行搅拌,加热再生液至80℃,形成低温热混合液。向低温热混合液中投加臭氧溶液,低温热臭氧混合液中臭氧的浓度为0.5mg/L,以100rpm持续搅拌5min,形成粉末活性炭的低温热臭氧混合液。打开变频超声,超声作用时间持续5min,0-5min时间段的超声波连续变频循环区间为20-40kHz,超声波连续变频的循环周期为5min。将处理后的粉末活性炭承担分离直接进行回用。采用的粉末活性炭材质为木质,粒径为200目,平均孔径为3.38nm,新炭吸附容量230.96mg/g,经过再生处理后,活性炭吸附容量恢复至226.34mg/g,再生率达98%。
Claims (1)
1.一种基于连续变频超声波/臭氧溶液耦合作用的粉末活性炭低温热-液相原位再生方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在饱和粉末活性炭沉淀浓缩液中直接加入一定浓度的再生液,并以100-150rpm持续搅拌,同时加热至一定温度,形成粉末活性炭的低温热混合液;
(2)在粉末活性炭的低温热混合液中投加臭氧溶液,以100-150rpm持续搅拌5-10min,形成粉末活性炭的低温热臭氧混合液;
(3)粉末活性炭的低温热臭氧混合液采用连续变频的超声波作用0-60min不包括0并以100-150rpm持续搅拌,对再生粉末活性炭进行沉淀和分离,即可直接进行回用;
步骤(1)所述的再生液为强酸或强碱、复合酸液或复合碱液,粉末活性炭的低温热混合液中对应的酸或碱的浓度为0.05-0.5mM;
步骤(1)所述的粉末活性炭的低温热混合液的温度为50℃-90℃;
步骤(2)所述的粉末活性炭的低温热臭氧混合液中臭氧的浓度为0.2-2mg/L;
步骤(3)所述的连续变频的超声波的频率变化幅度依据粉末活性炭粒径范围和孔道孔径范围确定;当粉末活性炭粒径在5-300目、平均孔径2-4nm范围时,粉末活性炭的再生效能与超声波频率之间存在最佳区间;从超声波开始作用的0-5min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在20-40kHz的区间频率逐渐增加;从超声波开始作用的5-30min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在35-100kHz的区间频率逐渐增加;从超声波开始作用的时间大于30min时间段,超声波进行持续的连续变频循环,每次变频循环为在20-35kHz的区间频率逐渐增加;上述不同作用时间段内超声波连续变频的循环周期为2-5min,每个作用时间段的循环周期相同或不同。
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2021
- 2021-08-27 CN CN202110995935.8A patent/CN113680340B/zh active Active
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