摘要:熱再生是工業上應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)和吸附單一物質的載苯酚飽和活性炭(后文簡稱AC)進行對比的方法，通過熱重紅外聯用(TGFTIR)實驗對比分析三者在熱解過程中的失重、吸放熱及氣體產物情況;并對經過不同溫度熱解的飽和活性炭進行孔隙結構表征，確定SBAC的最優再生溫度。研究得出SBAC在熱解過程中40~360℃主要為水分和易揮發性有機物的物理脫附，360~772℃為易熱解型有機物的熱解，772~885℃有機物的熱解基本結束，885~1200℃失重較小，主要為原材料的熱反應和高碳殘余物的緩慢分解、炭化;生物膜在熱再生過程中會發生熱解;根據碘值和亞甲藍值得出SBAC的最優熱解再生溫度為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。

　　關鍵詞:活性炭;熱重紅外聯用;熱解再生;孔隙結構

　　隨著社會工業化的發展，水污染問題日益突出，采用常規的混凝、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同作用[24]比顆粒炭單獨吸附或生物降解更有效，能夠長期高效去除水中微量有機污染物，因此被國內外各個水廠廣泛應用[5]。

　　然而隨著BAC的長時間運行，生物膜的活性會降低，當其厚度超過“活性厚度”，吸附物的擴散與溶解氧的進入會變得困難[6]，導致活性炭吸附與微生物降解的協同作用降低，在我國BAC的最佳使用壽命一般不超過兩年[7]，之后需要進行再生處理。現有幾種成熟飽和活性炭的再生方法可分為三大類：熱再生、化學再生和生物再生[8]。熱再生是應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識，運行參數也遠沒有達到最優[1011]。其再生經濟性，高度取決于吸附性能的恢復程度及其損耗12。

　　目前國內外關于飽和生物活性炭的熱再生機理研究較少，熱解過程中吸附質的脫附、再生產物的成分及其變化規律等方面的問題都尚無報道，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，有利于工業再生時優化設計參數和再生操作條件，為工業再生提供理論指導。BAC在水廠水處理中吸附了多種復雜有機物，吸附飽和后形成SBAC。

　　不同的吸附物在活性炭再生時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，通過對比新炭和吸附單一物質的飽和炭的熱重紅外結果，以進一步揭示SBAC的熱解再生機理。苯酚作為水中常見的有機污染物，因此選擇吸附苯酚的飽和活性炭(AC)作為對比。以碘值、亞甲藍值作為SBAC和AC熱再生效果指標，主要分別表征活性炭微孔和中孔的發達程度[1，以及不同再生溫度下SBAC和AC的孔隙恢復情況，確定其最優熱再生溫度。

　　1實驗材料與方法

　　1.1樣品制備

　　實驗所用的新活性炭(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行微生物接種后水處理1.5年后失效產生，實驗前將SBAC置于鼓風干燥箱在105℃下干燥。FAC在使用前需進行預處理，以減少活性炭上無機離子和其他雜質干擾：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。個炭樣冷卻后均置于密封袋中保存備用。

　　1.2電鏡掃描和能譜分析試驗

　　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，同時掃描電鏡搭配的Flash6|03型探測器可對活性炭表面元素進行微區定量分析。

　　1.3熱重紅外聯用試驗

　　同步熱分析儀(型號：NetzschSTA449F)與傅里葉紅外光譜儀(型號：BrukerVEXTER70)通過傳輸管連接(TGFTIR系統。熱重實驗中，每次取樣約20mg，以30℃/min的升溫速率從40℃升溫至1200℃，保護氣和吹掃氣均為氮氣(99.99%)，氣體流量都設為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驗中產生的氣體產物，分辨率設為cm，掃描頻率為16次/min，掃描波數范圍為4000~650cm。

　　1.4管式爐熱再生試驗

　　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熱再生。每次再生實驗中，取樣，爐內溫度由室溫升至目標溫度，升、降溫速率均設為10℃/min，保護氣體為氮氣(99.99%)，氣體流量設為0.4L/min，升溫前使用氮氣吹掃10分鐘以排出爐內空氣。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分別測定炭樣熱再生后的碘、亞甲藍值。

　　2實驗結果與分析

　　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構;SBAC外表面比較粗糙出現很多裂紋，覆蓋著大量白色塊狀與點狀的碎屑顆粒物，為生物膜和部分吸附物，孔隙結構被堵塞;AC表面覆蓋結晶很光滑，附著的碎屑及顆粒少，這是在樣品制備時，少量苯酚在其表面會形成結晶。

　　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、糖類和脂質[6]，這些成分中的、元素含量相當，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，而水中雜質使、Ca、元素含量增加。

　　再生溫度為300℃時，SBAC和AC的孔隙已有部分恢復，說明以物理形式吸附的和有機物的脫附釋放了部分中孔和微孔;SBAC的碘、亞甲藍值從500℃快速上升，這可能和生物膜的大量熱解有關，AC的碘、亞甲藍值從400℃快速上升，這是由于苯酚熱分解的開始;700℃后SBAC和AC的碘值呈現變緩趨勢，歸因于殘余物的開始積累;在850℃時SBAC的碘、亞甲藍值達到最大，此時微孔與中孔恢復率分別為93.9%和78%，AC的碘值與SBAC一樣在850℃達到最大，微孔恢復率87.8%，而AC在800℃時亞甲藍值最大，中孔恢復率為82%，800~850℃亞甲藍出現大幅度下降，一方面是活性炭基本微晶發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構中形成了焦炭沉積[33,41]。

　　850~900℃由于固定碳在活性炭孔隙內的進一步沉積，SBAC和AC的碘、亞甲藍值都明顯下降。由實驗得出：在一定再生溫度下，隨著再生溫度的提高，有機物熱解會同時釋放活性炭的中孔和微孔;在熱再生中，微孔的孔隙恢復較好;SBAC的最優再生溫度為850℃，與上述熱解機理的分析結果相吻合。

　　水處理論文范例：環保型水處理化學品及水處理技術分析

　　結論BAC和AC的熱解機理具有很強的對比性：第一階段40~360℃都為水分和物理吸附的有機物發生脫附;第二階段360~772℃為化學吸附的有機物開始熱解;第三階段772~885℃為有機物熱解最劇烈的階段，有機物的熱解在第三階段基本完成;第四階段885~1200℃為原材料的熱反應和熱解殘余物進一步的分解、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的孔隙恢復率快速上升。對比各再生溫度下的碘值與亞甲藍值，發現在850℃時活性炭的孔隙恢復率最高，可以得出SBAC的最優再生溫度為850℃。

　　參考文獻

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

　　[5]儲雪松，陳夢林，宿程遠，等生物活性炭技術在水處理中的研究與運用進展[J]水處理技術，018，44(11)：10+25

　　作者：聶欣，陳祁，鄭世元，呂明，鐘俊鋒，曾貴東