废水处理中活性炭的收集与再利用技术的研究

引言：

随着我国工业化和城镇化的快速发展，工业废水排放量不断增加，其中含有的难降解有机物具有毒性强、难生化、易累积等特点，同时废水往往色度高、异味重，并夹带微量有毒污染物，对生态系统和人体健康造成潜在威胁。传统处理工艺如生化法、电化学法、膜分离法等，在去除难降解污染物和控制异味、色度方面仍存在明显局限。活性炭作为一种高比表面积和丰富孔隙结构的材料，在废水处理中应用广泛，可有效吸附微量有机污染物和消毒副产物。

我国活性炭产业以煤基活性炭为主，其产量占比约 70% 。然而，活性炭价格较高，且使用后再生成本同样不容忽视。如何实现其高效回收和再利用，已成为提升废水处理产业可持续性的重要课题。研究废水处理中活性炭收集与再利用技术，对推动废水处理的绿色化、资源化发展意义重大，成为当前环境工程领域的研究热点。

一、文献综述

1. 活性炭的制备方法 主要包括生物质活性炭和煤质活性炭两大类。

1.1 生物质活性炭通常通过对生物质资源在无氧焙烧条件下制备而得，制备前一般需要进行粉碎。常见的制备方法有直接炭化法、活化法、微波炭化法、水热合成法、卤素侵蚀法、超临界侵蚀法、气相沉积法（包括物理气相沉积和化学气相沉积）、模板法（软模板和硬模板）以及电弧放电法等。

1.2 煤质活性炭则以煤炭或焦炭为原料，经粉碎、筛分、成型、炭化与活化等工艺制备，常通过物理或化学活化使炭化料的孔隙结构开放并产生新孔。

在废水处理中，煤质活性炭因其良好的孔隙结构和机械强度被广泛应用，尤其适用于重金属离子和难降解有机污染物的去除。吴浩波的研究表明，煤质柱状活性炭在吸附塔中采用下进上出的运行方式可有效提高去除效率 [1]。生物质炭凭借丰富的孔隙结构、高比表面积和可调控的化学官能团，也被广泛用于 VOCs 吸附和磷去除，在废水处理中展现出良好应用潜力[2]。

2. 活性炭的收集 常见方法包括过滤分离、离心分离和磁分离辅助技术。

2.1 过滤分离 陶瓷膜和超滤膜因其精准的截留能力被广泛用于印染废水中的活性炭回收，但存在膜污染问题，需结合反冲洗与化学清洗[3]。砂滤 - 活性炭联合工艺则通过砂层截留活性炭颗粒，在石化废水处理中回收率可达 85% 以上，但存在活性炭流失风险。

2.2 离心分离 依靠离心力分离活性炭与废水，适合高浓度悬浮液，但能耗较高且细粒径活性炭易流失。

2.3 磁分离辅助技术 通过在活性炭表面负载磁性物质（如Fe₃O₄ ），使其在外加磁场下快速分离 , 实验表明其回收率超过 95% ，但可能影响吸附性能[4]。

3. 在再生与回收路径方面 煤质活性炭的再生方式包括热再生、光再生、化学再生、生物再生和电化学再生[5]。

3.1 热再生是最成熟的方法之一，通常在 800-1000^∘C 下加热分解或挥发吸附物质，以恢复孔隙结构，广泛应用于废水预处理场景，但多次再生会导致强度下降。

3.2 化学再生依靠酸、碱或有机溶剂溶解污染物，适合特定场景。

3.3 生物再生 生物质炭则常结合农业循环利用与能源化利用，既可作为土壤改良剂，也可作为生物质燃料。

3.4 光再生和电化学再生 以降低能耗并延长寿命，拓展了再生路径的多样化。

研究方法 本研究采用系统性文献检索与分类归纳的方法，以确保对活性炭制备、应用与再生研究的全面覆盖和深入分析。

文献检索通过中国知网（CNKI）、万方、维普等中文数据库以及Web of Science、Scopus、ScienceDirect 等英文数据库进行，关键词包括“活性炭制备”;“废水处理”;“活性炭回收路径与利用”；“VOCs 吸附”等，时间范围限定在2015—2025 年。在初步检索基础上，设定纳入标准（涉及活性炭制备方法的实验或综述研究、关注废水处理或大气污染治理应用、探讨再生机制的实证研究、具有明确实验设计和对比结果的论文）和排除标准（与研究主题无关、缺乏实证数据、会议摘要或灰色文献、数据不完整或结论不清的研究），以保证文献的科学性与相关性。筛选后的文献通过主题归纳与对比分析方法进行整理。

二、结果与讨论

2.1 新兴再生技术探索

1. 电化学再生

通过电极反应使活性炭表面污染物氧化分解。Sun 等（2023）采用三维电极体系再生吸附染料的活性炭，控制电压 1.5-2.5V, 再生效率超70% ，但电极材料损耗与能耗限制推广。

2. 超声辅助再生

超声波的空化效应破坏污染物与活性炭的吸附作用，辅助脱附。Zhang 等（2022）超声辅助热再生印染废水活性炭，超声功率 300-500W 时，再生时间缩短 20% ，但单独超声再生效率有限，多作为辅助手段。

2.2 活性炭收集与再利用技术的整合与应用案例

1. 技术整合策略

实际工程中，单一技术难以满足高效、低成本需求，需整合收集与再利用技术。如“磁分离收集 + 热 - 生物联合再生”模式：先通过磁分离快速收集活性炭，再经生物再生预处理降解易生物降解有机物，降低热再生能耗，提升再生效果。

2. 应用案例

北京某印染企业采用“活性炭吸附 - 陶瓷膜收集 - 微波热再生”工艺。废水经活性炭吸附后，陶瓷膜截留活性炭，截留率 97% ；吸附饱和的活性炭经微波热再生（功率 800W，时间 10min ），再生后吸附容量恢复 82% ，实现活性炭循环利用，吨水活性炭消耗成本降低 40% ，验证了技术整合的可行性。

三、现有技术的挑战与发展趋势

3.1 挑战

1. 收集技术

细粒径活性炭分离难度大，膜过滤膜污染、离心分离能耗高问题待解决；磁分离依赖磁性改性，可能影响活性炭性能。

2. 再利用技术

热再生能耗与设备成本高，化学再生易造成二次污染，生物再生周期长，新兴技术尚处实验室阶段，工程化应用少。

3.2 发展趋势

1. 智能化

结合传感器与自动控制，优化收集与再生过程参数，如实时监测活性炭浓度、再生温度，实现精准调控。

2. 绿色化

开发低能耗、无污染的再生技术，如太阳能驱动热再生、生物 -电化学耦合再生。

结论

废水处理中活性炭的收集与再利用技术取得显著进展，未来通过技术整合、智能化升级与绿色化创新，可进一步提升活性炭资源的循环效率，推动废水处理向更经济、环保的方向发展，为水资源可持续利用与水污染控制提供有力支撑，同时需持续攻克工程化应用中的技术瓶颈，促进成果转化。本文通过对活性炭收集与再利用的系统综述，可为废水处理行业降低处理成本、减少二次污染和提升资源效率，为推动活性炭在碳中和和循环经济背景下的绿色发展提供理论与实践参考。

参考文献：

[1] 李建如等 . 活性炭吸附再生技术在化工废水处理中的应用[J]. 广东化工 , 2023, 50(19): 87-89.

[2] 傅燕丽 . 活性炭在水处理工艺中的应用 [J]. 石材 ,2024(02): 116-118.

[3] 杨胜霞 等 . 生物质炭材料的制备、改性及应用研究进展 [J]. 河南化工 , 2024, 41(08): 24-29.

[4] TsynTsarski B, Petrova B, Budinova T, et al. Porosity development during steam activation of carbon foams from chemically modified pitch[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2015, 154: 56-61.

[5] 王登峰 . 关于煤质活性炭的再生技术 [J]. 大同职业技术学院学报 , 2023(04): 67-71.