CN114225926A - 一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法，属于废旧活性炭再生技术领域，所述系统包括保护气体瓶，保护气体瓶内充满保护气体，保护气体瓶的出气口连接质量流量控制器的进气口，质量流量控制器的出气口连接至微波高温真空加热炉的进气口，微波高温真空加热炉的出气口连接至U形管的第一开口，U形管的第二开口连接至盛有酒精的酒精瓶，酒精瓶通过气管连接至碱液瓶，碱液瓶的出气口连接至室外烟囱。本发明利用活性炭良好的吸收微波特性，采用微波加热方法，使活性炭形成由内到外的升温梯度，将孔道内吸附的杂质分解解吸，再生过程时间短、能耗低、设备构造简单，能够克服传统再生活性炭方法的诸多不足。

Description

一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法
技术领域
本发明属于废旧活性炭再生技术领域，具体为一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法。
背景技术
碘吸附器作为核电站等核设施通风净化系统的关键设备，通过吸附核空气中的气态放射性碘，来保障核设施在正常工况特别是事故工况下厂房、环境及人员的安全。碘吸附器大部分都处于备用系统，理论上无放射性污染风险，即使在进行碘吸附器性能试验时注入甲基碘示踪剂，放置6个月后也能衰变至本底水平，可解控后不再以放射性物质对待。极低的放射性水平为废浸渍活性炭的清洁解控及再生处理创造了条件。
活性炭在吸附过程中，各种吸附质与活性炭之间由于亲和力的不同而形成了各自的吸附平衡关系，即活性炭产生了中毒老化现象，再生就是制造一定的条件破坏其吸附平衡使吸附质脱离活性炭，其依据有以下几类：用与吸附质亲和力强的溶剂萃取；通过对体系加热改变平衡条件使得吸附质脱离出来，在高温时可使吸附质分解或氧化而除去等。
常规加热再生方法通常在回转窑或立式炉中进行，热源位于碳床的外部，通过传导和/或对流加热。热再生由于其简单和高效，惰性或氧化气氛下的热再生是最广泛使用的再生方法。但该方法也存在一些问题：高温可能导致活性炭表面的化学结构发生变化，进而影响吸附特性，孔结构内部吸附的杂质不易扩散出来；维持800-850℃的再生温度，需要耗费大量的能源；再生过程中由于磨损，冲洗和过度燃烧造成活性炭大量损失，且随着再生循环次数的增加，这些问题会变得更加严重。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法，通过该系统及方法能够使原本吸附的无机物及高沸点有机物质容易脱离活性炭，实现活性炭的再生，而且再生过程时间短、能耗低、设备构造简单，能够克服传统再生活性炭方法的诸多不足。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，包括保护气体瓶，所述保护气体瓶内充满保护气体，所述保护气体瓶的出气口通过气管连接质量流量控制器的进气口，所述质量流量控制器的出气口通过气管连接至微波高温真空加热炉的进气口，所述微波高温真空加热炉内的碳化硅板上放置有用于容纳废旧颗粒活性炭的石英皿，所述微波高温真空加热炉的出气口通过气管连接至U形管的第一开口，所述U形管的第二开口通过气管连接至盛有酒精的酒精瓶，所述酒精瓶通过气管连接至碱液瓶，所述碱液瓶的出气口通过气管连接至室外烟囱。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述保护气体的类型包括氩气、氮气和二氧化碳。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述质量流量控制器用于调节气管中保护气体的流量，所述质量流量控制器的流量调节范围为1-10L/min。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述微波高温真空加热炉用于对废旧颗粒活性炭进行由内部到外部的高温加热，使原本吸附的无机物及高沸点有机物质利用扩散作用脱离活性炭，同时使活性炭与保护气体及水蒸气在高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述U形管用于对再生过程中产生的废气进行冷凝，收集部分冷凝后的有机物。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述U形管放置在水浴锅内，所述水浴锅内为冰水混合物，用于为所述U形管提供低温环境，使再生过程中产生的废气在所述U形管内得以冷凝和收集。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，所述酒精瓶用于吸收尾气中残留的有机废气，所述碱液瓶用于吸收尾气中残留的酸性物质。
基于上述颗粒状废活性炭的微波再生处理系统的微波再生处理方法，包括以下步骤：
S1、将废旧颗粒活性炭装入石英皿中，然后将所述石英皿放入微波高温真空加热炉内的碳化硅板上；
S2、在所述微波高温真空加热炉的操作主界面点击开启真空泵，对所述微波高温真空加热炉内自动抽真空；
S3、按照设定流量开启进气开关通入保护气体，直到所述微波高温真空加热炉内真空显示为设定真空度时，自动开启所述微波高温真空加热炉的出气阀，并持续通入保护气体；
S4、设定微波加热保温程序，启动所述微波高温真空加热炉，系统自动执行设定程序，颗粒状活性炭在所述微波高温真空加热炉中从内部开始受热，使原本吸附的无机物及高沸点有机物质脱离活性炭，并随保护气体进入所述U形管；同时，活性炭与通入的保护气体及水蒸气在所述微波高温真空加热炉中高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造；
S5、再生过程中产生的废气通过U形管进行冷凝，收集部分有机物，然后通过装有酒精的酒精瓶吸收残留的有机废气，通过装有碱液的碱液瓶吸收残留的酸性物质，最后经排风烟囱排出室外；
S6、所述微波加热保温程序执行完后，自然降温到室温，关闭气体保护瓶，取出活性炭。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理方法，步骤S2中将所述微波高温真空加热炉内的真空度控制在0.08-0.09MPa；步骤S3中设定真空度为-0.001MPa。
进一步，如上所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理方法，步骤S4中设定的微波加热保温程序参数包括微波加热功率、保温功率、加热温度、保温温度和保温时间；微波高温真空加热炉的微波源辐照频率设定为2450MHz，加热功率范围为600W-1000W，保温温度范围为500℃-800℃，达到保温温度后维持保温时间范围为3min-20min。
采用本发明所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法，具有以下显著的技术效果：
本发明利用活性炭良好的吸收微波特性，在微波加热再生过程中，活性炭中的水分子以及其他有机物等迅速被加热，一部分有机物受热分解成CO2气体和水蒸气，产生的蒸汽气压从原料内部向外部压出，在这种作用下，活性炭的大部分孔隙得到恢复，形成显著的多孔结构；一部分有机物被炭化，并和原有炭在高温下发生水煤气反应，进一步恢复了活性炭的孔隙，从而恢复其吸附能力。本发明提供的系统及方法活性炭再生过程时间短、能耗低、设备构造简单，能够克服传统再生活性炭方法的诸多不足。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中提供的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中提供的颗粒状废活性炭的微波再生处理方法流程图；
图1中，1-保护气体瓶；2-质量流量控制器；3-石英皿；4-微波高温真空加热炉；5-U形管；6-水浴锅；7-酒精瓶；8-碱液瓶。
具体实施方式
下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
微波加热可以直接将能量提供给炭床，能量传递不像常规加热那样通过传导或对流进行，而是通过偶极子旋转和离子传导，很容易地转化为颗粒内部的热量，实现分子水平上的加热，使吸附在活性炭上的物质克服范德华力解吸并燃烧，最终完全分解。
基于上述原理，本发明利用微波真空炭化装置将浸渍活性炭上吸附的无机物及高沸点有机物质脱附；另外，微波真空环境下体系内的氮气或水蒸气等小分子可以对废旧活性炭进行微孔再造，有利于活性炭活化。
图1示出了本发明具体实施方式中提供的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统的结构示意图，请参考图1，该装置包括保护气体瓶1，保护气体瓶1内充满保护气体，保护气体瓶1的出气口通过气管连接质量流量控制器2的进气口，质量流量控制器2的出气口通过气管连接至微波高温真空加热炉4的进气口，微波高温真空加热炉4内的碳化硅板上放置有用于容纳废旧颗粒活性炭的石英皿3，微波高温真空加热炉4的出气口通过气管连接至U形管5的第一开口，U形管5放置在水浴锅6内；U形管5后端依次设置有用于吸收废气的酒精瓶7和碱液瓶8，酒精瓶7内盛有酒精，碱液瓶8内盛有碱液，酒精瓶7和碱液瓶8通过连接气管相连，酒精瓶口7设置有进气管，碱液瓶8口设置有排气管，进气管的一端连接U形管5的第二开口，另一端插入在酒精瓶7内且位于酒精液面之下，连接气管一端插入在酒精瓶7内且位于酒精液面之上，另一端插入在碱液瓶8内且位于碱液液面之下，排气管的一端插入在碱液瓶8内且位于碱液液面之上，另一端连通室外烟囱，净化后的尾气从此排出。
保护气体用于提供活性炭活化所需的保护气氛，本实施例中，保护气体的类型包括氩气、氮气和二氧化碳。
质量流量控制器2用于调节气管中保护气体的流量，本实施例中，质量流量控制器2的流量调节范围为1-10L/min。
微波高温真空加热炉4用于对废旧颗粒活性炭进行高温加热，使原本吸附的无机物及高沸点有机物质脱离活性炭，同时使活性炭与保护气体及水蒸气在高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造。
U形管5用于对再生过程中产生的废气进行冷凝，收集部分冷凝后的有机物。
水浴锅6用于为U形管5提供低温环境，使再生过程中产生的废气在U形管5内得以冷凝，本实施例中，水浴锅6内为冰水混合物。
酒精瓶7内的酒精用于吸收尾气中残留的有机废气；碱液瓶8内的碱液用于吸收尾气中残留的酸性物质。
使用上述颗粒状废活性炭的微波再生处理系统进行废活性炭的微波再生处理的工艺流程如下：
S1、装料：将废旧颗粒活性炭装入石英皿3中，然后将石英皿3放入微波高温真空加热炉4内的碳化硅板上。
S2、抽真空：在微波高温真空加热炉4的操作主界面点击开启真空泵，将炉内自动抽真空。
微波高温真空加热炉4上配置有真空表，可根据真空表显示，将炉内真空度控制在0.08-0.09MPa。
S3、通保护气：按照设定流量开启保护气体，直到微波高温真空加热炉4内真空显示为设定真空度时，自动开启微波高温真空加热炉4的出气阀，并持续通入保护气体。
本实施例中，调节质量流量控制器2使设定流量为3L/min，当微波高温真空加热炉4内真空显示为-0.001MPa时，自动开启微波高温真空加热炉4的出气阀。
S4、启动微波加热，活性炭进行脱附及活化：设定微波加热保温程序，启动微波高温真空加热炉4，系统自动执行设定程序。颗粒状活性炭在微波高温真空加热炉4中受热，原本吸附的无机物及高沸点有机物质脱附，并随保护气体进入U形管5；同时，活性炭与通入的保护气体及水蒸气在炉内高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造。
设定的微波加热保温程序参数包括微波加热功率、保温功率、加热温度、保温温度、保温时间等。本实施例中，微波高温真空加热炉4的微波源辐照频率设定为2450MHz，加热功率范围为600W-1000W，保温温度范围为500℃-800℃，达到保温温度后维持保温时间范围为3-20min。
S5、收集废气：再生过程中产生的废气通过U形管进行冷凝，收集部分有机物，然后通过装有酒精的酒精瓶吸收残留的有机废气，通过装有碱液的碱液瓶吸收残留的酸性物质，最后排出室外。
S6、冷却：微波加热保温程序执行完后，自然降温到室温，关闭气体保护，取出活性炭。
使用上述方法对废活性炭进行再生处理后，对废活性炭再生前后的吸附性能和物理性能进行了比较，检测其表面积和孔容，检测结果表明，使用本发明提供的微波再生处理方法得到的颗粒活性炭吸附放射性甲基碘的效率均达到95.8％～99.2％，碘吸附值可达970～1050mg/g，强度可达97.5～98.9％，比表面积980～1050m2/g，总孔体积0.40～0.45cm3/g，达到了优异的吸附能力。
本发明提供的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统及方法，利用活性炭良好的吸收微波特性，在微波加热再生过程中，活性炭中的水分子以及其他有机物等迅速被加热，一部分有机物受热分解成CO2气体和水蒸气，产生的蒸汽气压从原料内部向外部压出，在这种作用下，活性炭的大部分孔隙得到恢复，形成显著的多孔结构；一部分有机物被炭化，并和原有炭在高温下发生水煤气反应，进一步恢复了活性炭的孔隙，从而恢复其吸附能力。本发明提供的系统及方法活性炭再生过程时间短、能耗低、设备构造简单，能够克服传统再生活性炭方法的诸多不足。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述系统包括保护气体瓶(1)，所述保护气体瓶(1)内充满保护气体，所述保护气体瓶(1)的出气口通过气管连接质量流量控制器(2)的进气口，所述质量流量控制器(2)的出气口通过气管连接至微波高温真空加热炉(4)的进气口，所述微波高温真空加热炉(4)内的碳化硅板上放置有用于容纳废旧颗粒活性炭的石英皿(3)，所述微波高温真空加热炉(4)的出气口通过气管连接至U形管(5)的第一开口，所述U形管(5)的第二开口通过气管连接至盛有酒精的酒精瓶(7)，所述酒精瓶(7)通过气管连接至碱液瓶(8)，所述碱液瓶(8)的出气口通过气管连接至室外烟囱。
2.根据权利要求1所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述保护气体的类型包括氩气、氮气和二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述质量流量控制器(2)用于调节气管中保护气体的流量，所述质量流量控制器(2)的流量调节范围为1-10L/min。
4.根据权利要求3所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述微波高温真空加热炉(4)用于对废旧颗粒活性炭进行由内部到外部的高温加热，使原本吸附的无机物及高沸点有机物质利用扩散作用脱离活性炭，同时使活性炭与保护气体及水蒸气在高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造。
5.根据权利要求4所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述U形管(5)用于对再生过程中产生的废气进行冷凝，收集部分冷凝后的有机物。
6.根据权利要求5任一项所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述U形管(5)放置在水浴锅(6)内，所述水浴锅(6)内为冰水混合物，用于为所述U形管(5)提供低温环境，使再生过程中产生的废气在所述U形管(5)内得以冷凝和收集。
7.根据权利要求1-6任一项所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统，其特征在于，所述酒精瓶(7)用于吸收尾气中残留的有机废气，所述碱液瓶(8)用于吸收尾气中残留的酸性物质。
8.基于权利要求1-7任一项所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理系统的微波再生处理方法，包括以下步骤：
S1、将废旧颗粒活性炭装入石英皿(3)中，然后将所述石英皿(3)放入微波高温真空加热炉(4)内的碳化硅板上；
S2、在所述微波高温真空加热炉(4)的操作主界面点击开启真空泵，对所述微波高温真空加热炉(4)内自动抽真空；
S3、按照设定流量开启进气开关通入保护气体，直到所述微波高温真空加热炉(4)内真空显示为设定真空度时，自动开启所述微波高温真空加热炉(4)的出气阀，并持续通入保护气体；
S4、设定微波加热保温程序，启动所述微波高温真空加热炉(4)，系统自动执行设定程序，颗粒状活性炭在所述微波高温真空加热炉(4)中从内部开始受热，使原本吸附的无机物及高沸点有机物质脱离活性炭，并随保护气体进入所述U形管(5)；同时，活性炭与通入的保护气体及水蒸气在所述微波高温真空加热炉(4)中高温下发生活化反应，实现活性炭的微孔再造；
S5、再生过程中产生的废气通过U形管进行冷凝，收集部分有机物，然后通过装有酒精的酒精瓶(7)吸收残留的有机废气，通过装有碱液的碱液瓶(8)吸收残留的酸性物质，最后经排风烟囱排出室外；
S6、所述微波加热保温程序执行完后，自然降温到室温，关闭气体保护瓶(1)，取出活性炭。
9.根据权利要求8所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理方法，其特征在于，步骤S2中将所述微波高温真空加热炉(4)内的真空度控制在0.08-0.09MPa；步骤S3中设定真空度为-0.001MPa。
10.根据权利要求8所述的颗粒状废活性炭的微波再生处理方法，其特征在于，步骤S4中设定的微波加热保温程序参数包括微波加热功率、保温功率、加热温度、保温温度和保温时间；所述微波高温真空加热炉(4)的微波源辐照频率设定为2450MHz，加热功率范围为600W-1000W，保温温度范围为500℃-800℃，达到保温温度后维持保温时间范围为3-20min。
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