CN100398194C - 介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法及装置 - Google Patents

Abstract

介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法及装置属于化工吸附分离和污染物控制技术领域。本发明是利用大气压下介质阻挡放电产生的低温非平衡等离子体，使填充在放电电极间吸附有吸附质的活性炭在高活性物种、紫外线照射以及高能电子的轰击等作用下进行原位再生。介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置主要由交变高压电源、反应器和辅助设备构成。本发明所达到的有益效果和益处是，再生效率高；再生时间短；无二次污染，不需进行后续处理；活性炭损耗少；设备简单，易操作。主要适用于活性炭再生领域。

Description

介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法及装置

技术领域

本发明属于化工吸附分离和污染物控制技术领域。特别涉及介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法及装置。本发明是将电工新技术、化工吸附分离工程和环境工程相结合，利用介质阻挡放电产生的高速电子、臭氧、紫外线、活性化学物质等通过物理化学效应综合降解吸附在活性炭上的废水、废气等污染物，从而使活性炭得到原位再生活化。

背景技术

活性炭是以煤、木炭、椰壳等为原料，经高温炭化和活化制成的疏水非极性炭质吸附剂，它具有高度发达的孔隙结构和极大比表面积。这使它具有优异的吸附能力和稳定的化学性质，耐酸耐碱，在水浸、高温、高压下不易破碎，是处理废水、废气及工业生产应用中优良的吸附剂。

20世纪60年代初，欧美各国开始大量使用活性炭吸附法处理城市应用水和工业废水。自20世纪70年代初以来，采用活性炭处理工业废水和废气，不论是在技术上还是在应用范围和处理规模上都发展很快，如印染、化工、造纸、电镀等废水处理方面和各种有害气体的吸收方面都已有较大规模的应用，并取得了满意的效果。

目前全世界约有50个国家生产活性炭。美国、日本、德国、法国和俄罗斯等国家的活性炭生产处于领先水平。工业发达国家的环保问题是推动活性炭生产发展及消费量增加的主要动力。美国1998年活性炭的需求为17.03万t，2002年达到19.75万t。19982002年，美国活性炭的年均增长率为3％-5％。2002年，日本的活性炭消耗也达到10万t。西欧各国活性炭消耗量也约为10万t，2000-2003年西欧活性炭需求年增长率为2％。我国2000年活性炭的需求量为14.0万t，2002年达到18.0万t，并以每年3％-4％的速度增长。目前世界活性炭年消费量超过100万t，并以每年1％-3％的速度递增。

由此产生的大量废炭如果不进行处理，不仅会造成资源的浪费，还会引起环境污染。因此，无论从经济效益还是从环保角度考虑，进行活性炭的再生都十分必要。活性炭再生已经成为活性炭生产和使用技术中的重要组成部分。

近年来，许多国家都已经把着眼点转向新的活性炭再生技术的开发上。因此，各国的科学工作者对活性炭的再生进行了广泛的研究，提出了各种再生工艺技术。目前用于活性炭再生的方法主要有热再生方法、湿式氧化和催化湿式氧化再生法、电化学再生法、溶剂再生法、生物再生法、超临界流体再生法等。热再生法通常需要外源加热，成本高，同时活性炭再生后会损耗5％-10％。湿式氧化再生法对某些难降解有机物可能产生毒性更大的中间产物，造成二次污染。因此人们考虑借助高效催化剂，采用催化湿式氧化再生活性炭，但这种方法对设备要求高、操作不便，而且存在运行和维护费用高等问题。电化学再生法能够在现场进行再生，但也会造成一定程度的二次污染及活性炭损耗等问题，不能从根本上解决污染问题。溶剂再生法针对性太强，往往一种溶剂只能脱附某些污染物，而且对于贵重溶剂还要进行再回收，成本高。而生物再生存在再生周期长等问题。超临界流体再生法也存在对设备要求高等问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种再生效率高、活性炭损失率低、再生周期短、操作管理方便且不产生二次污染的能够有效的实现活性炭原位再生的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法及装置。

本发明的基本思路是利用介质阻挡放电产生的高速电子、臭氧、紫外线、活性化学物质等通过物理化学效应综合降解吸附在活性炭上的废水、废气等污染物，使活性炭实现原位再生。

本发明的技术解决方案是：

(i)活性炭为包括普通市售的粒状或柱状活性炭。当待处理活性炭是粒状活性炭时，粒状活性炭的粒径范围为1-50mm；当待处理活性炭是柱状活性炭时，柱状活性炭的直径范围为1-50mm，长度范围为2-100mm。

(ii)介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生工艺为：

第一步，将待处理的活性炭填装在反应器2中的活性炭填料床5中，封闭反应器2；活性炭的填装厚度为1-200mm。

第二步，闭合电源开关12，调节交变高压电源1的输出电压，使活性炭与高压放电介质4间的平均电场强度为5-200kV/cm，在活性炭与高压放电介质4或高压电极3之间形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电，放电时间为5-300min。

第三步，放电结束后，断开开关12和交变高压电源1，打开反应器2，取出活性炭。

在第二步中，当待处理的活性炭含水率，即水份质量与活性炭质量比，为2-100％时，需要先启动气泵10，向反应器2中鼓气，然后打开电源开关12，调节交变高压电源1的输出电压，使活性炭与高压放电介质4间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，在活性炭与高压放电介质4或高压电极3之间形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电。

本发明的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生是采用介质阻挡放电的方法进行的，所采用的装置主要由交变高压电源1、反应器2和辅助设备构成。

交变高压电源1是指正负极性交替变化的电源，电源的频率范围为50HZ-10MHZ，电压范围为0-500kV、功率范围为0-100kW。

反应器2由高压电极3、低压电极6、高压放电介质4、低压放电介质18、活性炭填料床5、高压导电线16和低压导电线17构成，当需要向反应器2中鼓气时，反应器2还包括气体入口7和气体出口8；高压电极3被固定在反应器2顶部，低压电极6被固定在反应器2底部；高压放电介质4或低压放电介质18放置于高压电极3和低压电极6之间，高压放电介质4和低压放电介质18是相对介电常数ε_r为1-100的绝缘材料，厚度为0.5mm-50mm，面积为20cm²-100m²；交变高压电源1的高压输出端串联保护电阻11和开关12在高压导电线16上，高压导电线16的另一端接在高压电极3上；低压导电线17的一端接在低压电极上，另一端和电源1的低压输出端一同接地；高压电极3和低压电极6之间距离为2.5-300mm，高压电极3和低压电极6的面积为1cm²-90m²。

应用时根据单位处理活性炭数量，将上述的单体反应器结构实施并联或串联放置。

辅助设备根据应用时的工艺来确定。其中包括给电源配套的保护电阻11、开关12等控制器件；若待处理活性炭含水率为2％-100％时，为了让反应器中水蒸汽及时排出和避免反应器温度升高，同时产生大量的臭氧，需要向反应器中注入空气，因此装置中还需要配备流量计9、气泵10、单向阀13、水蒸汽回收的冷凝器14及冷却元件。气体由气泵10打入，经过气体流量计9，然后通过反应器2中的活性炭填料床5排出，再经过单向阀13和冷凝器14，使水蒸气冷凝进入锥形瓶15，由于尾气含有臭氧等活性物质，可将尾气再次注入到反应器中，这样可以达到提高再生效果，同时，又不需要处理尾气的装置，不产生二污染。

本装置中的介质阻挡放电高压电极3和低压电极(6)为相互平行的平行金属板，并以相对介电常数ε_r为1-100的绝缘材料，如普通玻璃、石英玻璃、云母、或陶瓷等，为高压放电介质4和低压放电介质18，放电介质4和18为平板。

本发明的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生反应器2中，高压电极3、低压电极6、高压放电介质4和低压放电介质18可按如下三种方案放置。

a方案：高压电极3被固定在反应器2顶部，低压电极6被固定在反应器2底部；高压放电介质4安装在高压电极板3下；活性炭填料床5置于低压电极板6上。

在再生过程中，当待处理的活性炭含水量为2％-100％时，气体进入反应器2的方式是，气体从气体入口7处进入反应器2后，平行于高压放电介质3和低压电极6通过活性炭床5，最后气体从气体出口8处出。

b方案：高压电极3被固定在反应器2顶部，低压电极6被固定在反应器2底部；高压电极3和低压电极6分别安装高压放电介质4和低压放电介质18；活性炭填料床5置于低压放电介质18上。

在再生过程中，当待处理的活性炭含水量为2％-100％时，气体进入反应器2的方式是，气体从气体入口7处进入反应器2后，平行于高压放电介质4和低压放电介质18通过活性炭床5，最后气体从气体出口8处出。

c方案：高压电极3被固定在反应器2顶部，低压电极6被固定在反应器2底部；低压放电介质18固定在高压电极3和低压电极6之间的空间；低压电极6和低压放电介质18上都可按放活性炭填料床5。

在再生过程中，当待处理的活性炭含水量为2％-100％时，高压电极3和低压电极6上均匀的加工有通气孔19，气体进入反应器2的方式是，气体从气体入口7处进入反应器2后，经过低压电极6的通气孔19通过活性炭填料床5，然后通过高压电极3上的通气孔19，最后气体从气体出口8处出。此外，反应器2的左边和右边可设置气体入口7和气体出口8，气体进入反应器2的方式是，气体从气体入口7处进入反应器2后，平行于低压放电介质18和低压电极6通过活性炭床5，最后气体从气体出口8处出。

向反应器2中鼓入的气体为空气、O₂、N₂、O₃和Ar等气体，其中，空气为0-100％，O₂为0-100％，N₂为0-100％，O₃为0-100％，Ar为0-100％。

对于本发明中所述的介质阻挡放电等离子体活性炭再生方法及装置不仅可以对活性炭进行再生和活化，而且对分子筛、硅胶、活性氧化铝、载铜等吸附剂物质也可再生活化。另外在活性炭中能够添加TiO₂、Al₂O₃等催化剂或Ag、Au、Pb、Mn等金属催化剂以提高再生和活化效率，催化剂质量与活性炭质量比为0-0.2。

对于本发明中所述的介质阻挡放电等离子体再生装置可以设计制作成同轴管式结构型式，此时高压电极和低压电极为同轴金属圆筒，高压放电介质和低压放电介质为相对介电常数ε_r为1-100的绝缘材料圆筒。

关于介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置运行参数的确定，必须注意以下几个方面的问题：

a.待处理的活性炭当含有一定量的湿度时，在放电的过程中会产生大量的高活性物种例如·OH、·O、·H自由基，有利于吸附质的降解。此外电极也不易击穿，活性炭也不易炭化。

b.活性炭填料床中的活性炭保持平整，否则，可能会发生放电不均匀或局部的弧光放电，甚至导致放电介质遭到破坏。

c.缓慢调节高压电源输出电压，在电极和介质之间或介质和介质之间，形成稳定的电晕放电、流光放电和辉光放电。

d.需要向反应器中通入气体时，反应器中的气体风速不能太大，否则，放电产生的高活性物种没有作用于活性炭就被带出反应器，不利于活性炭的再生，并且浪费能量。

e为了防止边界放电效应，放电介质面积应该比高压极板和低压极板的面积大。

f.在交变高压电源的输出电压调节过程中，保证介质材料能承受而不至遭到破坏的电压输出。

采用本发明的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法的装置时，注意事项：

(1)检查供电系统的正确性和安全性。

(2)要确保反应器的气密性，防治臭氧等尾气的泄漏。

本发明所达到的有益效果和益处是，将近年来快速发展起来的一种新的电工技术-介质阻挡放电等离子体技术与化工吸附分离工程相结合，应用到活性炭、分子筛、硅胶等吸附剂的原位再生中。该方法具有再生效率高，再生时间短，无二次污染，不需进行后续处理，活性炭损耗少，设备简单易操作等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置图。

图2是本发明的反应器中放电电极与放电介质放置a方案图。

图3是本发明的反应器中放电电极与放电介质放置b方案图。

图4是本发明的反应器中放电电极与放电介质放置c方案图。

图中：1.交变高压电源，2.反应器，3.高压电极，4.高压放电介质，5.活性炭填料床，6.低压电极，7.气体入口，8.气体出口，9.气体流量计，10.气泵，11.保护电阻，12.开关，13.单向阀，14.冷凝器，15.锥形瓶，16.高压导电线，17.低压导电线，18.低压放电介质，19.通气孔。

具体实施方式

本示例中所采用的装置如图1所示，交变高压电源1的频率为50HZ，电压有效值范围为0-50kV，额定功率1kW。反应器外壳由有机玻璃做成，形状为400mm×450mm×120mm的长方体。本示例的放电电极与放电介质放置选用图2的方案，高压电极3为200mm×200mm×4mm的不锈钢板，低压电极6为350mm×400mm×4mm的不锈钢板，300mm×300mm×2mm的石英玻璃板作为高压放电介质4，两电极板距离为22mm，含2mm的放电介质；通入气体为空气；所用活性炭是柱状煤质活性炭，直径为3mm，平均长度为10mm，活性炭填装厚度为9mm，待再生活性炭的含水率为16％；此外本示例中用到气体流量计9、气泵10、保护电阻11、电源开关12、单向阀13、冷凝器14和锥形瓶15等辅助设备。

在本示例中，选取市售化学纯的酸性橙AO7固体粉末配成浓度为1000mg/L的模拟废水，采用本发明中的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，进行介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生试验，步骤为：

第一步，吸附，准确称取经过预处理的柱状活性炭250.0g，放入500mL体积1000mg/L浓度的酸性橙溶液中，吸附48h使活性炭达到饱和。

第二步，放电再生，再生工艺为：

首先，将含有相当于250.0g新炭的吸附饱和炭分成2份，将其中一份填装在反应器2中的活性炭填料床5中，封闭反应器。

其次，启动气泵10，调节流量计9，使空气流量控制在0.5m³/h，闭合电源开关12，启动交变高压电源1，调解电源频率为50HZ，电压有效值为30kV，此时输出功率为100W，活性炭与高压放电介质之间的平均场强为15kV/cm，电极之间形成稳定的流光放电状态，放电再生时间为120min。

最后，断开开关12和交变高压电源1，停止气泵10，打开反应器2，取出活性炭。

第三步，再生效果检测，准确称取125.0g新炭，用含有相同质量未吸附的新活性炭的放电再生炭、饱和炭以及新炭吸附150mL体积、100mg/L浓度的酸性橙染料废水，每隔15min测一次酸性橙的吸光度。检测发现经过介质阻挡放电再生后的活性炭的吸附能力明显强于新炭。经过60min的吸附后，脱色效果达到53％，而新炭经过60min的吸附后，脱色效果为26％。饱和炭的吸光度基本保持不变。对介质阻挡放电等离子体再生后的活性炭，经过48h吸附饱和后计算，与新炭相比，再生效率可达到120％，表明再生处理后的活性炭的吸附能力是新炭的吸附能力120％，并且活性炭损失率不到0.1％。由于臭氧循环利用，没有造成二次污染，而且再生后的活性炭无需后续处理。经过3次再生后，活性炭的吸附能力仍与新炭相当。

为了验证放电是否提高了活性炭的活性，又进行了下面试验。准确称取200.0g新炭，分成2份，将其中一份进行放电处理30min，然后与另一份新炭比较，比较发现，放电处理后的活性炭的吸附能力强于新炭。经过60min的吸附后，放电处理后的活性炭的吸光度由2.984减少到0.980，而新炭经过60min的吸附后，吸光度由2.984降为1.407。这说明，通过放电不仅能够恢复活性炭的吸附能力，而且还能提高活性炭的活性。

Claims (15)

1.介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，由交变高压电源(1)和反应器(2)构成；交变高压电源(1)为正负极性交替变化的电源，频率范围为50HZ-10MHZ、电压范围为0-500kV、功率范围为0-100kW；反应器(2)由高压电极(3)、低压电极(6)、高压放电介质(4)、低压放电介质(18)、活性炭填料床(5)、高压导电线(16)和低压导电线(17)构成；高压电极(3)被固定在反应器(2)顶部，低压电极(6)被固定在反应器(2)底部，活性炭填料床(5)置于低压电极板(6)上，交变高压电源(1)的高压输出端接在反应器(2)的高压电极(3)上，低压输出端接在反应器(2)的低压电极(6)上，并且与接地线相连接；高压电极(3)和低压电极(6)之间距离为2.5-300mm，高压电极(3)和低压电极(6)的面积为1cm²-90m²。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，反应器(2)左右两侧对应设置有气体入口(7)和气体出口(8)，气体入口(7)经过流量计(9)与气泵(10)连接，气体出口(8)经过单向阀(13)与冷凝器(14)连接。

3.根据权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，在高压电极板(3)下面固定有高压放电介质(4)，活性炭填料床(5)置于低压电极(6)上；高压放电介质(4)厚度为0.5mm-50mm，面积为20cm²-100m²。

4.根据权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，在高压电极板(3)下面固定有高压放电介质(4)，低压电极(6)上面固定有低压放电介质(18)，活性炭填料床(5)置于低压放电介质(18)上，高压放电介质(4)和低压放电介质(18)厚度为0.5mm-50mm，面积为20cm²-100m²。

5.根据权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，在高压电极(3)和低压电极(6)之间固定有低压放电介质(18)，低压电极(6)和低压放电介质(18)上面设置有活性炭填料床(5)，低压放电介质(18)厚度为0.5mm-50mm，面积为20cm²-100m²。

6.根据权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置，其特征在于，在高压电极(3)和低压电极(6)之间固定有低压放电介质(18)，低压电极(6)和低压放电介质(18)上面设置有活性炭填料床(5)；高压电极(3)和低压电极(6)上设置有通气孔(19)，装置中还包括气体入口(7)、气体出口(8)、流量计(9)、气泵(10)、单向阀(13)和冷凝器(14)，反应器(2)上下两侧对应设置有气体入口(7)和气体出口(8)，气体入口(7)经过流量计(9)与气泵(10)连接，气体出口(8)经过单向阀(13)与冷凝器(14)连接，低压放电介质(18)厚度为0.5mm-50mm，面积为20cm²-100m²。

7.使用权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置进行活性炭再生的方法，其特征在于，工艺步骤为：

第一步，将待处理的活性炭填装在反应器(2)中的活性炭填料床(5)中，封闭反应器(2)，活性炭的填装厚度为1-200mm；

第二步，打开电源开关(12)，调节交变高压电源(1)的输出电压范围0-500kV，使活性炭与高压电极(3)间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，在活性炭与高压电极(3)之间形成放电，放电时间为5-300min；

第三步，然后，断开开关(12)，关闭交变高压电源(1)，打开反应器(2)，取出活性炭。

8.根据权利要求7所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，在第二步中，当待处理的活性炭含水率范围为2％-100％时，需要先启动气泵(10)，向反应器(2)中鼓气，流速为1-100cm/s，然后打开电源开关(12)，调节交变高压电源(1)的输出电压，在活性炭与高压放电介质(4)之间形成放电；向反应器(2)中鼓入的气体为空气、O₂、N₂和O₃，其中，空气为0-100％，O₂为0-100％，N₂为0-100％，O₃为0-100％；第三步，断开开关(12)，关闭交变高压电源(1)，停止气泵(10)，打开反应器(2)，取出活性炭。

9.根据权利要求7所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，待处理活性炭是粒状时，粒状活性炭的粒径范围为1-50mm。

10.根据权利要求7所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，待处理活性炭是柱状时，柱状活性炭的直径范围为1-50mm，长度范围为2-100mm。

11.根据权利要求7所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，待处理活性炭中填加有TiO₂、Al₂O₃催化剂或贵金属Ag、Au、Pb、Mn催化剂，催化剂与活性炭质量比为0-0.2。

12.根据权利要求7、8、9、10或11所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，在高压电极板(3)下面固定有相对介电常数ε_r为1-100的高压放电介质(4)，活性炭填料床(5)置于低压电极(6)上，第一步，将待处理的活性炭填装在反应器(2)中的活性炭填料床(5)中，封闭反应器(2)，活性炭的填装厚度为1-200mm，第二步，打开电源开关(12)，调节交变高压电源(1)的输出电压范围0-500kV，使活性炭与高压放电介质(4)间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，在活性炭与高压放电介质(4)之间形成放电，放电时间为5-300min，第三步，然后，断开开关(12)，关闭交变高压电源(1)，打开反应器(2)，取出活性炭。

13.根据权利要求7、8、9、10或11所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，在高压电极板(3)下面固定有相对介电常数ε_r为1-100的高压放电介质(4)，低压电极(6)上面固定有相对介电常数ε_r为1-100的低压放电介质(18)，活性炭填料床(5)置于低压放电介质(18)上，第一步，将待处理的活性炭填装在反应器(2)中的活性炭填料床(5)中，封闭反应器(2)，活性炭的填装厚度为1-200mm，第二步，打开电源开关(12)，调节交变高压电源(1)的输出电压范围0-500kV，使活性炭与高压放电介质(4)间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，在活性炭与高压放电介质(4)之间形成放电，放电时间为5-300min，第三步，然后，断开开关(12)，关闭交变高压电源(1)，打开反应器(2)，取出活性炭。

14.根据权利要求7、8、9、10或11所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生方法，其特征在于，在高压电极(3)和低压电极(6)之间固定有相对介电常数ε_r为1-100的低压放电介质(18)，低压电极(6)和低压放电介质(18)上面设置有活性炭填料床(5)，第一步，将待处理的活性炭填装在反应器(2)中的活性炭填料床(5)中，封闭反应器(2)，活性炭的填装厚度为1-200mm，第二步，打开电源开关(12)，调节交变高压电源(1)的输出电压范围0-500kV，活性炭与低压放电介质(18)间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，活性炭与高压电极(3)间的平均电场强度范围为5-200kV/cm，在活性炭与低压放电介质(18)之间形成放电，在活性炭与高压电极(3)之间形成放电，放电时间为5-300min，第三步，然后，断开开关(12)，关闭交变高压电源(1)，打开反应器(2)，取出活性炭。

15.使用权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体活性炭原位再生装置进行活性炭再生的方法，其特征在于，能够用于活性炭、分子筛、硅胶、活性氧化铝或载铜吸附剂物质的再生。

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