1、廈門大學學報（自然科學版）活性炭的電化學再生機理張會平，傅志鴻，葉李藝，鐘輝（廈門大學化學工程系，福建廈門361005）通過研究pH值對苯酚在活性炭上的吸附平衡的影響，活性炭在不同電極上的電化學再生效率和循環再生對活性炭再生效率的影響，結合以前的有關研究結果分析認為活性炭的電化學再生過程機理中包括電脫附， NaO H堿再生， NaClO化學氧化等過程。實驗結果表明，電化學再生活性炭具有較高的再生效率。活性炭吸附再生電化學活性炭作為一種多孔吸附材料，內部孔隙結構極其發達，其比表面積較高，具有良好的吸附性能，在溶劑回收、空氣凈化、脫硫、水及廢水處理等方面都得到了廣泛的應用。活性炭本身價格較高，如果

2、活性炭使用后能夠進行合理再生而循環使用，勢必會節約成本，減少資源浪費。隨著國民經濟的快速發展及環境保護法規的嚴格實施，工業三廢的治理日益成為人們十分關注的問題。活性炭作為一種良好的水質凈化材料，廣泛應用于脫除工業和城市污水中的有機污染物。如何有效再生吸附了有機物的水處理活性炭，是一項長期有待解決的工程實際問題。長期以來，人們對活性炭的再生方法進行了廣泛的研究，提出了各種再生工藝技術但都有一定的局限性，存在著這樣和那樣難以克服的問題。如何開拓一項新型的基本沒有二次污染的活性炭再生工藝技術，是一項既有理論意義又有實際應用價值的研究課題。本研究是國家自然科學基金資助項目的一部分，在實驗室條件下應用電

3、化學方法再生活性炭，研究電化學再生活性炭的再生機理，為今后將電化學工程技術與化工吸附分離工程相結合，研究開發一種經濟合理，技術可行，設備簡單，操作方便的電化學再生活性炭工藝技術奠定基礎。1實驗材料與方法本文所用活性炭吸附劑是河北保定凈化材料廠生產的果核活性炭，碘值為1 000 mg /g，比表面積為1 205 m /g.四氯化碳吸附值為58 ，強度為95 .實驗所用含酚廢水是由化學試劑和去離子水配制而成。實驗所用電極均是采用金屬鉑電極。溶液中的苯酚濃度采用4氨基安替比林鐵氰化鉀光度比色法進行測定。 721型分光光度計和PHS4C型PH計是廈門分析儀器廠和廈門第二分析儀器廠生產的。 X HDI型

4、恒電位儀是廈門大學分析儀器廠生產的。為防止活性炭上存在的無機鹽及其他雜質的干擾，活性炭在使用前需進行預處理，即活性炭首先要在去離子水中煮沸約1 h，然后濾去水及活性炭粉塵，最后在105下烘干24h后，密封于儲罐中以備后用。實驗在電化學電解槽中進行，其中有陰極、陽極和參比電極各1個，陰陽極均為金屬鉑電極，同時電解槽有一定濃度的輔助電解質溶液，電解質采用氯化鈉溶液。實驗中，采用吸附平衡的瓶點測試方法，在一定酚水濃度和25溫度條件下，將定量活性炭與酚水充分接觸，在恒溫振蕩器中恒溫振蕩，以便活性炭吸附苯酚達到飽和，然后，將飽和后的活性炭置于電解槽中所選擇的電極上進行電化學再生，再生后的活性炭移入柱塞錐

5、形瓶內與相同條件下的酚水進行二次吸附飽和。根據電化學再生前后活性炭對苯酚的飽和吸附量的差異來確定其再生效率。2實驗結果與討論采用電化學方法再生活性炭的再生效率好壞，主要取決于活性炭所處的電極，所用輔助電解質的種類，輔助電解質溶液的濃度，電化學再生電流的大小和再生時間等因素。鐘輝已經進行了比較系統的研究。本文從活性炭所在電極，電化學反應的機理，間歇攪拌槽的再生，多次再生等方面來探討活性炭的電化學再生機理，為后續研究工作和應用奠定基礎。2. 1 pH值對苯酚在活性炭上的吸附平衡的影響的影響采用鹽酸與氫氧化鈉來準確調節苯酚溶液的pH值，測定苯酚在活性炭的平衡吸附值，研究值對活性炭對苯酚的吸附平衡的影

6、響。實驗結果如圖1所示。從圖1可以看出，苯酚在活性炭上的平衡吸附量隨著溶液的pH值的增加而增加，當p H值在67的范圍內，溶液呈弱酸性時達到最大值。隨著pH值的逐步增加，溶液堿性的逐步增強，也就是當pH值大于8時，苯酚的吸附量呈明顯的下降趨勢，這說明了較高p H值條件下有利于苯酚在活性炭上的脫附。2. 2再生時活性炭所在電極對再生效率的影響實驗選擇為輔助電解質，電解質溶液濃度為1 ，每次用量為800 mL，電極板間距為1. 8 cm，再生時間為5 h.在不同的再生電流條件下，分別將活性炭放在陽極或陰極上進行再生，按照前述方法測定活性炭的再生效率。實驗結果如圖2所示。從圖2中可以看出，活性炭在陰

7、極上的再生效率比在陽極上的再生效率明顯要高，同時隨著再生電流的增大，再生效率也提高。活性炭在陰極上再生時，在電極上有十分明顯的氣體生？廈門大學學報（自然科學版） 2000年成，似霧狀。出現的氣泡不易破碎，在電解液上方凝聚成白色泡沫。電解液略顯暗褐色，電解槽中有不愉快的氣味。電解液中有一定量的殘留酚。活性炭在陽極上的再生效率較低，電解液透明，電解液中基本沒有酚殘留。對于陰極上再生出現電解液不透明，有氣味和電解液有殘留酚，通過提高電解質溶液濃度可以得到解決，電解質溶液濃度為2即可行。此時，陽極和陰極的再生都完全透明，電解液中均基本沒有殘留酚。因此，陰極上的活性炭再生效率比陽極上的好。后續實驗均是在

8、陰極上進行。2. 3多次再生對再生效率的影響本文在電解質NaCl溶液濃度2 ，再生電流為50 mA，再生時間為5 h條件下，以新炭為參考，循環測定了用苯酚吸附飽和后活性炭的電化學再生效率，實驗結果如圖3所示。從圖3可以看效率的影響出，活性炭的電化學再生效率隨著再生次數的增加有所下降，除了第一次再生后，相對于新鮮炭而言，吸附平衡之下降近25 ，以后循環再生，再生效率有所下降但下降不是十分明顯。這說明苯酚在活性炭內微孔中有部分苯酚殘留。活性炭在四次再生循環后仍然有較高的吸附能力而且隨再生循環的增加，活性炭的再生效率下降越來越慢。這表明活性炭采用電化學方法進行再生在工業上進行應用是比較有前景的。2.

9、 4強化傳質對再生效率的影響為了進一步進行再生機理的研究，消除傳質擴散的影響，在間歇式電化學攪拌槽反應器中，通過強制攪拌強化傳質，測定了活性炭的再生效率和溶液中苯酚濃度隨著再生時間的變化關系如圖4所示，最終活性炭總的電化學再生效率可以達到85. 2 .通過對再生體系進行機械攪拌，增加溶液的湍動程度，確實可以提高其再生效率。3討論與分析由于再生液中成分復雜，有OH等強氧化物質，再生過程中可能存在多種反應。從再生液的成分，活性炭在不同再生區域的再生效果以及在再生過程中再生液中苯酚濃度隨時間變化的趨勢，我們認為電化學再生活性炭過程中應該包括電脫附堿再生化學氧化再生等過程，吸附在活性炭上的苯酚在電場的

10、電脫附或O H的堿再生作用下脫附至再生液中，一部分脫附的苯酚被再生液中的強氧化劑如Cl 2， NaClO等強氧化劑氧化分解，而另一部分則可能擴散至陽極，在陽極上氧化分解。由于電化學再生活性炭過程綜合多種再生過程的優點，必然會顯示出比其它再生方法更佳的性質。我們在了解這個機理的基礎上就隨時間的變化關系能進行電化學再生活性炭過程的進一步放大研究。采用石墨、鉑等不溶性陽極，對含有氯離子的再生液進行電解時，在陽極上會析出氧氣和氯氣，由于新生態的氧和氯以及過程中生成的等具有很強的氧化性，能使水中溶解的有機物質發生強烈的氧化而分解。其反應過程可表示如下。1）在陽極上析出氧氣和氯氣2）在陰極上有O H生成3

11、）由于再生裝置無隔膜，在水中發生下列化學反應4）少量反應生成的ClO可在陽極氧化生成氯酸和初生態氧鐘輝對活性炭電化學再生的再生機理進行了初步探討，提出活性炭在不同再生區域有不同的再生效果，認為陰極再生比陽極再生效率更高，陽極再生在再生液中幾乎沒有苯酚殘余，而陰極再生在再生液中會留下很少的苯酚殘余。本文通過進一步實驗和分析初步認為活性炭在陰極再生時，由于陰極區的O H生成增加了陰極區溶液的值，使陰極區溶液顯堿性，增強了苯酚的脫附能力陽極區溶液的p H值為67之間，呈弱酸性，此時苯酚在活性炭上的吸附達到極大值難以脫附，這樣陰極再生活性炭的再生效率會明顯高于陽極再生。在陰極再生時，從活性炭上脫附的苯

12、酚由于傳質擴散控制，導致溶液中苯酚來不及遷移到陽極區去降解，從而使陰極區的殘余苯酚量要大，通過提高電解質溶液的濃度，可以解決此問題。在陽極再生時，陽極區是再生過程的氧化物濃度較高的地方，因此在陽極區苯酚的殘余物較少。4結論1）溶液p H值在67的范圍內，苯酚在活性炭上的平衡吸附量達到最大值。而在pH值8的范圍內，活性炭吸附苯酚的能力呈線性下降趨勢，較高pH值條件下有利于苯酚在活性炭上的脫附。2）活性炭在進行電化學再生時，在陰極區再生的再生效率比在陽極區的要高。循環進行電化學再生活性炭，其再生效果較好，活性炭的吸附性能下降趨勢不是十分明顯。采用間歇攪拌槽電化學反應器進行活性炭再生，再生效率可以達到85以上。通過強制攪拌強化傳質過程，可以顯著提高活性炭的電化學再生效率。3）電化學再生活性炭過程包括苯酚從活性炭上脫附到溶液中，再被溶液中的強氧化劑所降解。電化學再生活性炭過程機理中包括電脫附， NaO H堿再生， NaClO化學氧化等過程。？廈門大學學報（自然科學版） 2000年 9