摘要:熱再生是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的活性炭再生方法。為深入探究水處理中飽和生物活性炭(SBAC)在熱再生過程中的熱解特性，采用與新炭(FAC)和吸附單一物質(zhì)的載苯酚飽和活性炭(后文簡(jiǎn)稱AC)進(jìn)行對(duì)比的方法，通過熱重紅外聯(lián)用(TGFTIR)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析三者在熱解過程中的失重、吸放熱及氣體產(chǎn)物情況;并對(duì)經(jīng)過不同溫度熱解的飽和活性炭進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)表征，確定SBAC的最優(yōu)再生溫度。研究得出SBAC在熱解過程中40~360℃主要為水分和易揮發(fā)性有機(jī)物的物理脫附，360~772℃為易熱解型有機(jī)物的熱解，772~885℃有機(jī)物的熱解基本結(jié)束，885~1200℃失重較小，主要為原材料的熱反應(yīng)和高碳?xì)堄辔锏木徛�分解、炭�?生物膜在熱再生過程中會(huì)發(fā)生熱解;根據(jù)碘值和亞甲藍(lán)值得出SBAC的最優(yōu)熱解再生溫度為850℃。本研究較為全面的分析了飽和生物活性炭的熱解特性，為活性炭的熱再生提供了理論指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞:活性炭;熱重紅外聯(lián)用;熱解再生;孔隙結(jié)構(gòu)

　　隨著社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，水污染問題日益突出，采用常規(guī)的混凝、沉淀、過濾工藝處理被污染的水源只能去除其中有機(jī)物的20%~30%[1]。顆粒活性炭表面可以被微生物定植，微生物在水負(fù)載中建立活性生物膜，形成生物活性炭(BAC)，BAC利用微生物降解活性炭吸附的協(xié)同作用[24]比顆粒炭單獨(dú)吸附或生物降解更有效，能夠長(zhǎng)期高效去除水中微量有機(jī)污染物，因此被國(guó)內(nèi)外各個(gè)水廠廣泛應(yīng)用[5]。

　　然而隨著BAC的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，生物膜的活性會(huì)降低，當(dāng)其厚度超過“活性厚度”，吸附物的擴(kuò)散與溶解氧的進(jìn)入會(huì)變得困難[6]，導(dǎo)致活性炭吸附與微生物降解的協(xié)同作用降低，在我國(guó)BAC的最佳使用壽命一般不超過兩年[7]，之后需要進(jìn)行再生處理。現(xiàn)有幾種成熟飽和活性炭的再生方法可分為三大類：熱再生、化學(xué)再生和生物再生[8]。熱再生是應(yīng)用最廣泛的活性炭再生方法[9]，但是該過程沒有得到通透的認(rèn)識(shí)，運(yùn)行參數(shù)也遠(yuǎn)沒有達(dá)到最優(yōu)[1011]。其再生經(jīng)濟(jì)性，高度取決于吸附性能的恢復(fù)程度及其損耗12。

　　目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于飽和生物活性炭的熱再生機(jī)理研究較少，熱解過程中吸附質(zhì)的脫附、再生產(chǎn)物的成分及其變化規(guī)律等方面的問題都尚無報(bào)道，特別是生物膜所起的行為特性更沒有人研究。深入探究飽和生物活性炭(SBAC)的熱再生行為特性，有利于工業(yè)再生時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和再生操作條件，為工業(yè)再生提供理論指導(dǎo)。BAC在水廠水處理中吸附了多種復(fù)雜有機(jī)物，吸附飽和后形成SBAC。

　　不同的吸附物在活性炭再生時(shí)具有不同的行為特性，其吸附物脫附、分解過程相差非常大13，通過對(duì)比新炭和吸附單一物質(zhì)的飽和炭的熱重紅外結(jié)果，以進(jìn)一步揭示SBAC的熱解再生機(jī)理。苯酚作為水中常見的有機(jī)污染物，因此選擇吸附苯酚的飽和活性炭(AC)作為對(duì)比。以碘值、亞甲藍(lán)值作為SBAC和AC熱再生效果指標(biāo)，主要分別表征活性炭微孔和中孔的發(fā)達(dá)程度[1，以及不同再生溫度下SBAC和AC的孔隙恢復(fù)情況，確定其最優(yōu)熱再生溫度。

　　1實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　1.1樣品制備

　　實(shí)驗(yàn)所用的新活性炭(FAC)為煤基柱狀活性炭，來自于寧夏華輝活性炭股份有限公司，直徑在1.5mm左右，以太西無煙煤為主要原料，經(jīng)磨粉、攪拌、成型、炭化和水蒸汽活化而成。SBAC為北京第九水廠使用該型活性炭進(jìn)行微生物接種后水處理1.5年后失效產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)前將SBAC置于鼓風(fēng)干燥箱在105℃下干燥。FAC在使用前需進(jìn)行預(yù)處理，以減少活性炭上無機(jī)離子和其他雜質(zhì)干擾：用蒸餾水洗滌2~3遍，然后在105℃溫度下干燥。將1gFAC置于250ml磨口錐形瓶中，加入200ml苯酚溶液(1036mg/L)，在恒溫振蕩器上以25℃溫度振蕩天，吸附飽和后過濾出活性炭并在105℃下干燥，制得AC。個(gè)炭樣冷卻后均置于密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

　　1.2電鏡掃描和能譜分析試驗(yàn)

　　采用ZEISSEVO18分析型掃描電鏡(卡爾蔡司股份公司)分析活性炭表面形貌，同時(shí)掃描電鏡搭配的Flash6|03型探測(cè)器可對(duì)活性炭表面元素進(jìn)行微區(qū)定量分析。

　　1.3熱重紅外聯(lián)用試驗(yàn)

　　同步熱分析儀(型號(hào)：NetzschSTA449F)與傅里葉紅外光譜儀(型號(hào)：BrukerVEXTER70)通過傳輸管連接(TGFTIR系統(tǒng)。熱重實(shí)驗(yàn)中，每次取樣約20mg，以30℃/min的升溫速率從40℃升溫至1200℃，保護(hù)氣和吹掃氣均為氮?dú)?99.99%)，氣體流量都設(shè)為30ml/min。傅里葉紅外光譜儀通過傳輸管與同步熱分析儀連接，同步分析樣品在熱重實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，分辨率設(shè)為cm，掃描頻率為16次/min，掃描波數(shù)范圍為4000~650cm。

　　1.4管式爐熱再生試驗(yàn)

　　采用OFT1200X型管式爐(合肥科晶科技有限公司)模擬飽和活性炭傳統(tǒng)熱再生。每次再生實(shí)驗(yàn)中，取樣，爐內(nèi)溫度由室溫升至目標(biāo)溫度，升、降溫速率均設(shè)為10℃/min，保護(hù)氣體為氮?dú)?99.99%)，氣體流量設(shè)為0.4L/min，升溫前使用氮?dú)獯祾?0分鐘以排出爐內(nèi)空氣。SBAC和AC分別加熱到300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，按照GB/T7702.72008、GB/T7702.62008分別測(cè)定炭樣熱再生后的碘、亞甲藍(lán)值。

　　2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1電鏡掃描和能譜分析

　　FAC、SBAC和AC的電鏡掃描圖：FAC表面比較光滑，附著在表面的碎屑較少，表面有明顯的孔隙結(jié)構(gòu);SBAC外表面比較粗糙出現(xiàn)很多裂紋，覆蓋著大量白色塊狀與點(diǎn)狀的碎屑顆粒物，為生物膜和部分吸附物，孔隙結(jié)構(gòu)被堵塞;AC表面覆蓋結(jié)晶很光滑，附著的碎屑及顆粒少，這是在樣品制備時(shí)，少量苯酚在其表面會(huì)形成結(jié)晶。

　　FAC和AC外表面90%以上的元素為，元素次之，其它還有一些Al、Si、等元素;SBAC外表面生物膜的主要成分為蛋白質(zhì)、糖類和脂質(zhì)[6]，這些成分中的、元素含量相當(dāng)，所以在SBAC的EDS分析中的、元素含量相近，另外SBAC外表面的Al、Si、、Ca、Fe含量較FAC、AC有明顯增加：由于水中絮凝劑的原因，所以SBAC表面的Al、Si元素含量較高，而水中雜質(zhì)使、Ca、元素含量增加。

　　再生溫度為300℃時(shí)，SBAC和AC的孔隙已有部分恢復(fù)，說明以物理形式吸附的和有機(jī)物的脫附釋放了部分中孔和微孔;SBAC的碘、亞甲藍(lán)值從500℃快速上升，這可能和生物膜的大量熱解有關(guān)，AC的碘、亞甲藍(lán)值從400℃快速上升，這是由于苯酚熱分解的開始;700℃后SBAC和AC的碘值呈現(xiàn)變緩趨勢(shì)，歸因于殘余物的開始積累;在850℃時(shí)SBAC的碘、亞甲藍(lán)值達(dá)到最大，此時(shí)微孔與中孔恢復(fù)率分別為93.9%和78%，AC的碘值與SBAC一樣在850℃達(dá)到最大，微孔恢復(fù)率87.8%，而AC在800℃時(shí)亞甲藍(lán)值最大，中孔恢復(fù)率為82%，800~850℃亞甲藍(lán)出現(xiàn)大幅度下降，一方面是活性炭基本微晶發(fā)生熱膨脹造成了中孔孔隙的部分坍塌，另一方面是由于苯酚分子的分解而在孔隙結(jié)構(gòu)中形成了焦炭沉積[33,41]。

　　850~900℃由于固定碳在活性炭孔隙內(nèi)的進(jìn)一步沉積，SBAC和AC的碘、亞甲藍(lán)值都明顯下降。由實(shí)驗(yàn)得出：在一定再生溫度下，隨著再生溫度的提高，有機(jī)物熱解會(huì)同時(shí)釋放活性炭的中孔和微孔;在熱再生中，微孔的孔隙恢復(fù)較好;SBAC的最優(yōu)再生溫度為850℃，與上述熱解機(jī)理的分析結(jié)果相吻合。

　　水處理論文范例：環(huán)保型水處理化學(xué)品及水處理技術(shù)分析

　　結(jié)論BAC和AC的熱解機(jī)理具有很強(qiáng)的對(duì)比性：第一階段40~360℃都為水分和物理吸附的有機(jī)物發(fā)生脫附;第二階段360~772℃為化學(xué)吸附的有機(jī)物開始熱解;第三階段772~885℃為有機(jī)物熱解最劇烈的階段，有機(jī)物的熱解在第三階段基本完成;第四階段885~1200℃為原材料的熱反應(yīng)和熱解殘余物進(jìn)一步的分解、炭化。SBAC表面生物膜在200~500℃熱解劇烈，隨著生物膜的大量熱解，SBAC的孔隙恢復(fù)率快速上升。對(duì)比各再生溫度下的碘值與亞甲藍(lán)值，發(fā)現(xiàn)在850℃時(shí)活性炭的孔隙恢復(fù)率最高，可以得出SBAC的最優(yōu)再生溫度為850℃。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]田家宇，陳偉雄，王威，等濾料粒徑對(duì)生物活性濾池除污染效能的影響[J].工業(yè)水處理，2007，27(11)：1518.TIANJiayu,CHENWeixiong,WANGWei,etal.Effectsofmediumsizesonpollutantremovalrateofbiologicalactivatedfilters[J].IndustrialWaterTreatment,007,27(11):1518.

　　[2]LECHEVALLIERM.W.,BECKERW.C.,SCHORRP.,etal.Evaluatingtheperformanceofbiologicallyactiverapidfilters[J].JournalAmericanWaterWorksAssociation,1992,84(4):136146.

　　[3]`SERVAISP.,BILLENG.,VENTRESQUEC.,etal.MicrobialactivityinGACfiltersattheChoisyleRoitreatmentplant[J].JournalAmericanWaterWorksAssociation,1991,83(2):6268

　　[4]ORIOLGIBERT,BENOÎTLEFÈVRE,MARCFERNÁNDEZ,etal.Characterisingbiofilmdevelopmentongranularactivatedcarbonusedfordrinkingwaterproduction[J].WaterResearch,2013,47(3):11011110.

　　[5]儲(chǔ)雪松，陳夢(mèng)林，宿程遠(yuǎn)，等生物活性炭技術(shù)在水處理中的研究與運(yùn)用進(jìn)展[J]水處理技術(shù)，018，44(11)：10+25

　　作者：聶欣，陳祁，鄭世元，呂明，鐘俊鋒，曾貴東