电化学再生吸附黑索今饱和活性炭的实验研究
刘燕梅[1]，2 王晓川3 刘 渝3 刘 静4
（1.西南科技大学材料科学与工程学院化学系，四川 绵阳 621000；
2.绵阳塔子坝污水处理厂，四川 绵阳 621000；
3.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900；
4.西南技术物理研究所环保处，四川 成都 610041）
摘要 对所选定的活性炭，吸附黑索今（RDX）溶液饱和后进行电化学再生。在室温条件下，分别以碳-碳（C-C）电极和碳-钛基二氧化铅（C-PbO2）电极，选择4因素、3水平的正交试验方法进行相关试验。结果表明，选择C-C电极时，当再生时间为3 h时，活性炭的再生率达到66.39%，而采用C-PbO2电极时，当再生时间为1 h时，再生率可达到95.70%。
关键词 活性炭 电化学再生 正交试验 吸附
Study of electrochemical regenerating activated carbon Liu Yanmei1,2，Wang Xiaochuan3，Liu Yu3，Liu Jing4. (1.College of Material Science And Engineering, Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621000；2.Mianyang Taziba Wastewater Treatment Plant，Mianyang Sichuan 621000；3.Institute of Chemical Material，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900； 4.Environmental Protection Department of Southwest Technique Physics Institute，Chengdu Sichuan 610041)
Abstract：Electrochemical regeneration of activated carbon adsorbed with RDX was investigated under different operative conditions. The effects of several operative parameters on electrochemical regeneration efficiency were measured in room temperature by means of orthogonal experimental method. The experimental results showed that the regeneration efficiency can reach 66.39% when regeneration time was 3 hours of using C-C electrolyte, and the regeneration efficiency can reach 95.70% when regeneration time was 1 h of using C-PbO2 electrolyte .
Keywords：activated carbon；electrochemical regeneration；orthogonal experiment；adsorption
活性炭再生，就是将失去吸附能力的饱和活性炭经过特殊处理后，使其重具活性，恢复大部分吸附能力，以便重新利用的过程和方法。随着活性炭应用领域的不断扩大，活性炭的再生技术也在不断发展提高，较常用的再生方法有化学再生法[1，2]、溶剂再生法[3]和热再生法[4]等，这些活性炭再生方法都存在一定的局限性，因此研究一种高效的活性炭再生方法具有现实意义。活性炭电化学再生法（Regeneration of Activated Carbon by Electrochemical Method）是目前研究较多的新型活性炭再生技术[5，6]之一。
1 实验部分
1.1 主要材料与仪器
颗粒状活性炭，粒径为2.4～3.6 mm，绵阳永兴活性炭厂。为了避免活性炭上存在的无机盐及其他杂质对RDX吸附实验的干扰，活性炭在使用前进行了预处理。将活性炭放在去离子水中煮沸约1 h后，滤去水及活性炭粉尘，在105 ℃下烘干24 h，密封于储罐中备用。将定量活性炭与一定浓度的RDX溶液充分接触，使活性炭吸附RDX达到饱和状态。
再生电流的大小和方向由HY171系列双路可跟踪直流稳定电源控制并调整。
钛基PbO2电极：50 mm×100 mm，厚度5 mm。
1.2 正交试验方法
在电化学处理过程中，由于电极材质不同，电解液组分不同，电化学产生的电极反应及反应产物也不尽相同，因而形成不同类型的反应[7]。基于电化应用正交试验设计方法可以优化电化学再生活性炭的再生工艺，并确定再生各工艺条件的影响程度。对所选定的活性炭吸附RDX溶液饱和后进行电化学再生，分别采用C-C电极（NaCl做电解质）和C-PbO2电极（Na2SO4做电解质），选择4因素、3水平的正交试验方法对活性炭的电化学再生工艺进行研究，实验安排如表1所示。再生后的活性炭移入柱塞锥形瓶内与相同条件下的RDX溶液进行二次吸附饱和。根据电化学再生前后活性炭对RDX溶液的饱和吸附量的差异来确定其再生效率。
表1 因素水平表
| 水平 | 再生电流 A/mA | 再生时间 B/min | 电解质浓度 C/% | 极板间距 D/mm |
| 水平1 | 100 | 60 | 0.25 | 50 |
| 水平2 | 200 | 120 | 0.50 | 80 |
| 水平3 | 300 | 180 | 1.00 | 110 |
2 实验结果与讨论
2.1 正交实验结果及分析
2.1.1 C-C电极再生实验
选用C-C电极对含RDX饱和活性炭进行了再生，根据极差分析法对正交试验结果进行分析。正交试验方案及结果如表2所示。
从表2可看出，第8号实验(A2B3C2D2)的活性炭再生效率(RE=66.39%)较大。对极差R比较可以看出，各因素主次顺序为：C＞B＞A＞D。从上可知，D是次要因素，可不必考虑，而C是重要因素，B是较重要因素，A是次重要因素，它们对指标的影响较大。通过对比第4组和第8组实验，可以看出随着电解时间的增加，电解液中Cl－不断增加，使得在阳极上析出Cl2的量在增加，同时电解溶液中生成的具有强氧化性的HClO也不断增加，将吸附在活性炭上的RDX进行氧化，从活性炭中解析出来，从而使活性炭再生。电极上发生的电解反应如下：
阳极：2Cl――2e→Cl2↑ （1）
阴极：2H＋―2e→H2↑ （2）
在电解液中存在Cl2与水反应：Cl2＋H2O＝HClO＋HCl （3）
表2 C-C电极电化学再生吸附RDX饱和活性炭正交实验表
| 项目 | 再生电流 A | 再生时间 B | 电解质NaCl浓度C | 极板间距 D | 再生效率 /％ |
| 1 | 1 | 1 | 3 | 2 | 30.46 |
| 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 36.72 |
| 3 | 3 | 1 | 2 | 3 | 33.08 |
| 4 | 1 | 2 | 2 | 1 | 62.72 |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 3 | 40.66 |
| 6 | 3 | 2 | 1 | 2 | 39.33 |
| 7 | 1 | 3 | 1 | 3 | 28.66 |
| 8 | 2 | 3 | 2 | 2 | 66.39 |
| 9 | 3 | 3 | 3 | 1 | 36.36 |
| K1 | 121.84 | 100.26 | 104.71 | 135.80 | |
| K2 | 143.77 | 142.71 | 162.19 | 136.18 | |
| K3 | 108.77 | 131.41 | 107.48 | 102.4 | |
| K1ave | 40.61 | 33.42 | 34.90 | 45.27 | |
| K2ave | 47.92 | 47.57 | 54.06 | 45.39 | |
| K3ave | 36.26 | 43.80 | 35.83 | 34.13 | |
| R | 11.56 | 14.15 | 19.16 | 11.26 |
2.1.2 C-PbO2电极再生实验
选用C-PbO2电极对含RDX饱和活性炭进行了再生，根据极差分析法对正交试验结果进行分析。正交试验方案及结果如表3所示。
表3 C-PbO2电极电化学再生吸附RDX饱和活性炭正交实验表
| 项目 | 再生电流 A | 再生时间 B | 电解质Na2SO4浓度C | 极板间距 D | 再生效率 /％ |
| 1 | 1 | 1 | 3 | 2 | 64.00 |
| 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 95.70 |
| 3 | 3 | 1 | 2 | 3 | 93.13 |
| 4 | 1 | 2 | 2 | 1 | 57.16 |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 3 | 58.87 |
| 6 | 3 | 2 | 1 | 2 | 67.44 |
| 7 | 1 | 3 | 1 | 3 | 46.88 |
| 8 | 2 | 3 | 2 | 2 | 45.17 |
| 9 | 3 | 3 | 3 | 1 | 65.73 |
| K1 | 168.04 | 252.83 | 210.02 | 218.59 | |
| K2 | 199.74 | 183.47 | 197.46 | 176.61 | |
| K3 | 226.30 | 157.78 | 188.60 | 198.88 | |
| K1ave | 56.01 | 84.28 | 70.01 | 72.86 | |
| K2ave | 66.58 | 61.16 | 65.82 | 58.87 | |
| K3ave | 75.43 | 52.59 | 62.87 | 66.29 | |
| R | 19.42 | 31.69 | 7.14 | 13.99 |
从表3可看出，第2号实验(A2B1C1D1)的活性炭再生效率(RE=95.70%)较大。对极差R大小进行比较可以看出，各因素主次顺序为：B—A—D—C。从上可知，C是次要因素，可不必考虑，而B是重要因素，A是较重要因素，D是次重要因素，它们对指标的影响较大。本实验选用的阳极是具有高析氧电位的钛基二氧化铅电极，能生成氧化能力极强的羟基自由基，将吸附在活性炭上的RDX进行氧化，从活性炭中解析出来，从而使活性炭再生。PbO2电极上发生的化学反应为：
PbO2+H2O→PbO2（·OH）+H++e （4）
PbO2+OH－→PbO2（·OH）+e （5）
2.2 实验对比分析
通过对上述两组电极的正交实验分析，可以看出C-PbO2电极的再生效率普遍高于C-C电极，分析原因，主要是由于C-PbO2电极电解时产生的羟基自由基（·OH）的氧化能力强于HClO的氧化能力，使得吸附在活性炭上的RDX得到了更高效的氧化，从而使活性炭的再生效率较好。
3 结 论
（1）采用C-C电极、NaCl做电解质的四因素、三水平的正交实验中，影响再生效率的主要因素是电解质浓度，其次是电解时间和电流强度。再生效率达到最好的实验条件是：电流强度在200 mA、电解时间在3 h、电解质浓度在0.50％及极板间距在80 mm。
（2）采用C-PbO2电极、Na2SO4做电解质的四因素、三水平的正交实验中，影响再生效率的主要因素是再生时间，其次是电流强度和极板间距。再生效率达到最好的实验条件是：电流强度在200 mA、电解时间在1 h、电解质浓度在0.25％及极板间距在50 mm。
（3）在相同电流强度的条件下，采用C-PbO2电极再生吸附RDX的活性炭，不但再生效率高，而且实验过程中的电解时间及消耗的电解质的量都比C-C电极的要低，实际应用性好。
参考文献
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