失效生物活性炭及其热-电联用再生试验研究

摘要

生物活性炭通过活性炭吸附-微生物降解的协同作用，不仅对微污染水源有良好的的深度处理效果，而且显著延长了活性炭的使用寿命。但随着生物活性炭长时间的运行后，其表面生物膜会集聚变厚，当超过临界厚度时会导致生物活性下降，协同作用消失而形成失效生物活性炭。目前还没有专门针对失效生物活性炭的再生方法，传统的热再生法因为其良好的通用性以及较好的再生率已被工业广泛应用。但其缺点也很明显，较长的再生时间，较高的再生成本以及较大的再生能耗与损耗，因而热再生法并不是失效生物活性炭再生的最优选择。电再生法是在热再生法上发展而来的新型再生法，利用活性炭的导电性直接对活性炭进行通电，通过产生的焦耳热进行再生。电再生法不仅保留了热再生法的优点，还缩短了再生时间，降低了能耗以及减少了再生损失，但其缺点为易受活性炭的电阻影响。失效生物活性炭因为生物膜的覆盖以及吸附了大量的有机物使得炭粒群电阻非常高，直接进行电再生效率太低。
　　本文通过将热再生法和电再生法相结合形成热-电联用再生法，该再生法包括低温热再生和高温电再生两个阶段。围绕失效生物活性炭的再生，本文开展了以下几方面工作：
　　（1）综述了课题的研究背景和意义，对生物活性炭的作用机理进行了阐述，探究了生物活性炭失效的原因，同时对目前国内外的活性炭再生方法进行了概述。
　　（2）对热-电联用再生装置，以及基本工作原理进行了介绍。同时对失效生物活性炭进行了详细的物理特性、化学特性与吸附性能的表征实验分析。物理特性方面主要包括表观密度分析、工业分析、生物膜厚度分析、扫描电镜分析以及物理孔隙结构分析；化学特性方面主要包括表面元素分析、Boehm滴定分析和 FTIR压片分析；吸附性能主要包括碘值和亚甲蓝值分析。
　　（3）对失效生物活性炭的炭粒群电阻特性进行了实验分析，引入了炭粒群电阻率来表征炭粒群电阻的大小，探究了温度、水分和挥发分、生物膜以及炭粒群的流动状态四个因素对炭粒群电阻率的影响。结果显示：炭粒群电阻率远高于活性炭材料电阻率，表明炭粒间的接触电阻非常大；温度的增加、水分和挥发分含量的减少对降低炭粒群电阻率有利；对生物膜进行打磨后炭粒群电阻率下降显著，打磨1h炭粒群电阻率下降90％；流动状态下的炭粒群电阻率远小于静止状态。
　　（4）结合失效生物活性炭的炭粒群电阻率分析结果，将失效生物活性炭的再生分为两个阶段。阶段一进行低温热再生，通过加热干燥和旋转打磨手段来降低炭粒群电阻率；阶段二进行高温电再生，通过产生的焦耳热快速实现再生。在该方案的基础上，通过碘值、亚甲蓝值、比表面积和孔容积对不同条件的再生炭进行了表征，探究了失效生物活性炭的最优再生条件为再生温度850℃，干燥温度300℃，打磨时间1h。该条件下再生率接近于93%，再生过程损耗约为4.2%。再生炭表面形貌与元素组成接近于新活性炭，苯酚吸附试验显示再生炭吸附性能恢复达90%。
　　（5）分析了失效生物活性炭的热-电联用再生机理，主要包括物理去除再生、热解脱附再生和等离子体氧化降解再生机理。热重分析结果显现失效生物活性炭热解可以分为四个阶段，大部分吸附质在阶段三（710～873℃）内基本完成分解脱附，与再生试验的最优再生温度850℃相符。TG-FTIR分析显示失效生物活性炭再生过程的气体产物主要为H2O、CO2和CO，产生速率的最高点出现在811℃，再次证实了阶段三为主反应阶段。通过Flynm-Wall-Ozawa法和Coats-Redfern法对失效生物活性炭热解脱附再生过程进行了热动力学分析，在200～612.1℃和在612.1～1104.9℃温度区间内最概然反应机理函数分别为三维扩散D3和随机成核和随后生长AE2，活化能分别为40.599kJ/mol和295.936kJ/mol。最后在相同条件下对单一吸附质的苯酚-AC进行了热解脱附再生机理实验分析，通过对比吸附复杂吸附质的失效生物活性炭，探究了吸附质类别对热解脱附再生机理的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 生物活性炭技术

1.3 活性炭的再生

1.4 失效生物活性炭热-电联用再生

1.5 研究思路与内容

第2章 实验材料、装置与分析方法

2.1 实验材料

2.2 热-电联用再生试验装置

2.3 活性炭样品表征分析方法

2.4 小结

第3章 失效生物活性炭的表征实验分析

3.1 引言

3.2 SBAC物理特性研究

3.3 SBAC化学特性分析

3.4 碘值与亚甲蓝值表征分析

3.5 本章小结

第4章 失效生物活性炭的炭粒群电阻特性分析

4.1 引言

4.2 试验装置与方法

4.3 试验结果与讨论

4.4 SBAC的直接电再生可行性

4.5 本章小结

第5章 失效生物活性炭的热-电联用两段式再生试验

5.1 引言

5.2 试验方法

5.3 结果与讨论

5.4 RAC的物理和化学特性表征

5.5 小结

第6章 失效生物活性炭热-电联用再生机理探讨

6.1 引言

6.2 物理去除再生机理

6.3 等离子体氧化降解再生机理

6.4 热解脱附再生机理

6.5 小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 本文的创新点

7.3 不足与展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文