电化学协同Fenton试剂再生活性炭装置设计说明书
设计者：孔真、何培、刘雨婷、覃芝双
指导老师：吕凯波、龚乃超
（武汉工商学院环境与生物工程学院，湖北 武汉430065）
作品内容简介
电化学协同Fenton试剂再生活性炭技术利用强氧化剂氧化活性炭中的吸附物并且利用直流电场产生的电动力学效应，使污染物发生迁移并富集，从而将吸附物去除以达到对活性炭进行再生。该再生法的优势比传统热再生法相比再生率高、炭损少、再生能耗低、处理时间短，有很强的普遍适应性。
整体装置为预处理、电解、活性炭过滤并清洁三部分组成。基本设计思路为先将电解液调节至适宜pH值，再通过水泵将电解液输送到电解池，加入活性炭，将电解池中的电解液加热至适宜温度，在电极和Fenton试剂的作用下，使得活性炭中的污染物都得到氧化分解，最终活性炭通过抽滤和反复冲洗以达到再生的目的。
该整套装置的设计简单灵活，设备采用分层反冲洗技术，冲洗活性炭中残留的溶液。浸泡冲洗活性炭颗粒，从而提高使用寿命，减少运行成本的目的。主要优势在于：可根据活性炭情况选择适当电解液pH值和反应温度。运行维护成本低，易于实现自动化程度高的活性炭再生处理一体化装置。
1 研制背景及意义
随着水源短缺和水污染的日益加剧，传统水处理技术无法满足安全、高质量的水质要求。即使水中仅存在微量污染物，对人类健康也具有长期的潜在危害，因此需要一些特殊的水处理方法。近年来，国内外的水处理专家在水的深度处理研究领域非常活跃，开发了一系列实用技术和特殊处理设备。其中最常用的是吸附、膜分离、光化学氧化和活性炭吸附技术。目前，活性炭是水处理最常用的吸附剂，活性炭吸附技术经过几十年的研究发展，日趋成熟、有效。这种方法是去除水中有机物最有效的方法，但活性炭使用成本比较高，使用活性炭吸附技术每处理1m³/d水的投资达80 ~ 100元，运营成本将增加0.15元/吨左右。活性炭使用完废弃后很容易造成二次污染。这些因素使活性炭在很多领域的应用变得局限。在活性炭吸附处理水中污染物时考虑活性炭再生是必要的。电化学再生是一种新型的活性炭再生技术。电解再生操作方便易于管理，带来二次污染的可能性小，符合现代环保的概念，所以越来越受到青睐。同样的，Fenton试剂的强氧化作用对活性炭的再生作用也起到了一定的辅助作用，通过活性炭吸附工艺和电化学再生相结合，一方面可以满足日益严格的水质标准，另一方面可以实现活性炭回收利用。
本研究的主要内容为利用电化学法和Fenton的强氧化作用再生吸附饱和废水的活性炭，为活性炭的再生技术提供新的方法和思路。
2 设计方案
2.1 设计原理
电化学再生：电解池的阳极Pt、石墨作为阴极，阳极的填充活性炭的区域，与阴极石墨棒、恒电流电解条件下。利用直流电场产生的电动力学效应，使污染物发生迁移并富集，从而将吸附物去除以达到对活性炭进行再生。
Fenton试剂氧化：H2O2在Fe2+的催化作用下分解，释放出具有强氧化能力的氢氧自由基，在段时间内使有机分子氧化分解而被除去，Fenton试剂特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理，这为Fenton试剂氧化分解吸附于活性炭上的有机污染物、进而达到再生活性炭的目的提供了有效的理论基础。
2.2 处理工艺
3装置流程及处理效果
本装置采用多电极电解技术，多个电极可以同时作用在更多的活性炭上，使装置整体的再生速度提升，电解池中的电极采用直径为0.03m的硅碳电极棒，可以减小电阻，降低电能的消耗，节约成本。电解池采用插入式电极，方便拆卸清理；电解池内置加热线圈，可以直接将电解池中的电解液加热，电解池中的加热线圈采用直径为0.0005m的环状黄铜加热线圈，可以增大电阻，提高线圈发热效率，降低电能的消耗，方便操作，节约成本；水泵采用ISW型卧式管道离心泵，严格按照国际标准ISO2858和国家管道离心泵标准JB/T53058-93进行设计制造，运行平稳、滴水不漏、噪音低、故障率低、维修方便；搅拌器采用涡轮式搅拌器，主要优点是在保证能量消耗低的同时，有较高的搅拌效率，搅拌会产生很强的径向流；运输管道采用内径70mm不锈钢管，不锈钢安全、卫生、健康、耐用，消除了塑料管道污染的问题，价格也比铜管节省很多；电解质采用2%NaCl溶液，使用成本低且不会对环境造成污染。
如图所示，先将NaCl电解液通过管道注入预处理池，在预处理池调节电解液pH值至适值，再将电解液运输至电解池，同时加入活性炭，活性炭高度应稍微超过排液口的高度，方便后续的操作。活性炭和电解液都运至电解池后，打开加热线圈和搅拌器（b）的电源，将电解质和活性炭加热至适值，提高再生效率，之后再加入Fenton试剂，再将电极通电，装置开始运行，通过Fenton试剂和电极的作用去除活性炭中的污染物，通电至活性炭中的污染物完全清除。断电后，先静置片刻，使活性炭沉淀，再通过排液口排除上层清液，再加入清水，并打开搅拌器清洗，静置，放出上层清液，重复此操作3-5次。冲洗结束后将活性炭通过排料口运至活性炭储存箱收集即可。从而得到再生活性炭。
此装置整体操作简单，不需要开关之间过多的配合，装置安装和拆卸简单，方便清洗和维修。装置用电使用220V 50Hz家庭用电，清洗再生活性炭使用去离子水，保证生产的再生活性炭没有过多的杂质。湿润的活性炭粉末黏性较大，无法通过正常的过滤、抽滤的方法去除残留的电解液，只能通过反复排出上层清液或板框压滤，而板框压滤需要消耗大量电能，且装置昂贵，所以此装置中选用反复排出上层清液的方法清洗活性炭，节约成本。在转移活性炭时，活性炭会大量附着在装置表面，所以需要用水冲刷，才能将活性炭完全转移。
活性炭具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积所以具有很强的吸附能力，它现在已经被广泛应用于工业、农业、国防、环境、医药等废水的处理中。但把活性炭作为一次性消耗品来使用是对资源的一种浪费，所以设计再生活性炭的装置非常有必要。将最终获得的再生活性炭与新鲜活性炭进行吸附对比实验，在相同条件下，取2.5 g新鲜活性炭和再生活性炭，同时对200 mL质量浓度为250 mg/L的苯酚溶液进行吸附实验。最终实验结果为，新鲜活性炭对苯酚的吸附量为13.02 mg/g，去除率为65.10%；在最佳再生条件下活性炭对苯酚的吸附量为10.82mg/g，去除率是54.11%。Fenton氧化技术对活性炭的再生效率为83.11%，达到了再生活性炭的标准。
4 经济分析
通过实验证实本装置相较于其他再生活性炭的方法使用范围更广，特别是生物难降解或一般化学法难除去的有机物的去除。且再生工艺简单，设备操作方便，处理时间短。与热再生方法相比[1]，费用低，高效率，低能耗，再生效率可达到90%以上，活性炭再生损失少；本设备简单易于修复，维护费用低，处理1吨废活性炭[2-5]费用仅为2290元，为市场投产活性炭费用的38%，为现在污水处理后的废活性炭再生提供了更好的选择。
5 创新点及应用
本装置设计在电化学再生和Fenton试剂再生两种方法的基础上，进行巧妙的结合，使活性炭的再生效率提高，利用强氧化剂氧化活性炭中的吸附物并且利用直流电场产生的电动力学效应，使污染物发生迁移并富集，从而将吸附物去除以达到对活性炭进行再生。该再生法的优势比传统热再生法相比再生率高、炭损少、再生能耗低、处理时间短，有很强的普遍适应性。整套装置的设计简单灵活，设备采用分层反冲洗技术，冲洗活性炭中残留的溶液。浸泡冲洗活性炭颗粒，从而提高使用寿命，减少运行成本的目的。
本装置优势在于操作简单，在降低能耗的基础上提升活性炭的再生效率。可根据活性炭情况选择适当电解液pH值和反应温度。运行维护成本低，易于实现自动化程度高的活性炭再生处理一体化装置。本装置可以应用于工业、农业、国防、环境、医药等产生的使用过的活性炭的再生，这些领域在运行过程中会使水体中出现大量的有害污染物，乃至食品工业废水、纺织印染废水、钢铁工业废水、电镀废水、造纸废水、油漆工业废水、炼油厂废水等，直接排放或处理会消耗大量的资源，必须大量使用活性炭进行水体净化，所以对活性炭的需求量巨大。本装置可以简单、快速、有效的去除附着在活性炭上的污染物，大幅降低生产过程中活性炭的使用成本。
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