Электрохимическая регенерация

Электрохимическая регенерация адсорбентов на основе активированного угля включает удаление молекул, адсорбированных на поверхности адсорбента, с использованием электрического тока в электрохимической ячейке, восстанавливающей адсорбционную способность угля. Электрохимическая регенерация представляет собой альтернативу термической регенерации, обычно используемой в очистке сточных вод . Распространенные адсорбенты включают порошкообразный активированный уголь (PAC), гранулированный активированный уголь (GAC) и активированное углеродное волокно.

Регенерация для повторного использования адсорбента

При очистке сточных вод наиболее часто используемым адсорбентом является гранулированный активированный уголь (ГАУ), часто используемый для очистки как жидкой, так и газообразной фазы летучих органических соединений и органических загрязнителей. [1] [2] Срок службы активированных угольных слоев различается в зависимости от концентрации удаляемого загрязнителя(ов), связанных с ними изотерм адсорбции , скорости потока на входе и требуемых разрешений на сброс. Срок службы этих слоев может варьироваться от нескольких часов до нескольких месяцев. Активированный уголь часто отправляется на свалку по окончании срока службы, но иногда его можно регенерировать, восстановив его адсорбционную способность, что позволяет использовать его повторно. Термическая регенерация является наиболее плодотворным методом регенерации, но имеет недостатки с точки зрения высоких энергетических и коммерческих затрат, а также значительного углеродного следа . [3] Эти недостатки стимулировали исследования альтернативных методов регенерации, таких как электрохимическая регенерация.

Электрохимически регенерируемые активированные угли

После того, как адсорбционная способность слоя активированного угля исчерпана за счет адсорбции молекул загрязняющих веществ, углерод переносится в электрохимическую ячейку (либо на анод , либо на катод ), в которой может происходить электрохимическая регенерация.

Принципы

Существует несколько механизмов, с помощью которых прохождение тока через электрохимическую ячейку может способствовать десорбции загрязняющих веществ. Ионы , образующиеся на электродах, могут изменять локальные условия pH в разделенной ячейке, что влияет на равновесие адсорбции и, как было показано, способствует десорбции органических загрязняющих веществ, таких как фенолы, с поверхности углерода. [3] [4] Другие механизмы включают реакции между образующимися ионами и адсорбированными загрязняющими веществами, приводящие к образованию видов с более низким адсорбционным сродством к активированному углю, которые впоследствии десорбируются, или окислительное разрушение органических веществ на поверхности углерода. [5] Принято считать, что основные механизмы основаны на регенерации, вызванной десорбцией, поскольку электрохимические эффекты ограничиваются поверхностью пористых углей, поэтому не могут отвечать за объемную регенерацию. [3] [6] Эффективность различных методов регенерации можно напрямую сравнивать с использованием эффективности регенерации. Она определяется как:

Р е г е н е г а т я о н Э ф ф я с я е н с у = а г с о г п т я в е с а п а с я т у о ф а с т я в а т е г с а г б о н а ф т е г а г с о г п т я о н а н г е л е с т г о с час е м я с а л г е г е н е г а т я о н а г с о г п т я в е с а п а с я т у о ф в я г г я н а с т я в а т е г с а г б о н × 100 {\displaystyle Регенерация\;Эффективность={\frac {адсорбционная\;емкость\;активированного\;угля\;после\;адсорбционной\;и\;электрохимической\;регенерации}{адсорбционная\;емкость\;чистого\;активированного\;угля}}\times 100}

Катодная регенерация

Катод является восстанавливающим электродом и генерирует ионы OH − , что повышает локальные условия pH. Повышение pH может иметь эффект содействия десорбции загрязняющих веществ в раствор, где они могут мигрировать к аноду и подвергаться окислению, следовательно, разрушению. Исследования по катодной регенерации показали эффективность регенерации для адсорбированных органических загрязняющих веществ, таких как фенолы, порядка 85% на основе времени регенерации 4 часа с приложенными токами от 10 до 100 мА. [3] Однако из-за ограничений массопереноса между катодом и анодом в катоде часто остаются остаточные загрязняющие вещества, если не используются большие токи или длительное время регенерации.

Анодная регенерация

Анод является окисляющим электродом и в результате имеет более низкий локализованный pH во время электролиза, что также способствует десорбции некоторых органических загрязнителей. Эффективность регенерации активированного угля в анодном отсеке ниже, чем достижимая в катодном отсеке, на 5-20% для тех же времен регенерации и токов, [3] [6] однако не наблюдается остаточной органики из-за сильной окислительной природы анода. [6]

Повторная адсорбция-регенерация

Для большинства углеродистых адсорбентов эффективность регенерации снижается в последующих циклах в результате закупорки пор и повреждения адсорбционных участков приложенным током. Снижение эффективности регенерации обычно составляет еще 2% за цикл. [3] Современные передовые исследования сосредоточены на разработке адсорбентов, способных восстанавливать 100% своей адсорбционной емкости посредством электрохимической регенерации. [7] [8] [9]

Коммерческие системы

В настоящее время существует очень ограниченное количество коммерчески доступных систем адсорбции-электрохимической регенерации на основе углерода. Одна существующая система использует адсорбент углерода под названием Nyex в системе непрерывной адсорбции-регенерации , которая использует электрохимическую регенерацию для адсорбции и уничтожения органических загрязнителей. [10]

Ссылки

  1. ^ Moreno-Castilla, C (2004). «Адсорбция органических молекул из водных растворов на углеродных материалах». Carbon . 42 (1): 83–94 . Bibcode :2004Carbo..42...83M. doi :10.1016/j.carbon.2003.09.022.
  2. ^ Дас, Д.; Гаур, В.; Верма, Н. (2004). «Удаление летучих органических соединений активированным углеродным волокном». Carbon . 42 (14): 2949– 2962. Bibcode :2004Carbo..42.2949D. doi :10.1016/j.carbon.2004.07.008.
  3. ^ abcdef Narbaitz, R. M; Karimi-Jashni, A (1994). «Удаление летучих органических соединений активированным углеродным волокном». Carbon . 42 (14): 2949– 2962. Bibcode :2004Carbo..42.2949D. doi :10.1016/j.carbon.2004.07.008.
  4. ^ Мехта, М. П.; Флора, Дж. Р. В. (1997). «Влияние электрохимической обработки гранулированного активированного угля на поверхностные кислотные группы и адсорбционную способность для фенола». Water Research . 31 (9): 2171– 2176. Bibcode : 1997WatRe..31.2171M. doi : 10.1016/S0043-1354(97)00057-2.
  5. ^ Чой, Дж. Дж. (1997). «Окислительное удаление зловонных летучих соединений серы воздухом через активированное углеродное волокно». Журнал промышленной и инженерной химии . 3 (1): 56–62 .
  6. ^ abc Zhang, H; Ye, L.; Zhong, H (2002). «Регенерация фенол-насыщенного активированного угля в электрохимическом реакторе». Журнал химической технологии и биотехнологии . 77 (11): 1246– 1250. Bibcode : 2002JCTB...77.1246Z. doi : 10.1002/jctb.699 .
  7. ^ Браун, Н.; Робертс, Э.П. Л. (2007). «Электрохимическая предварительная очистка сточных вод, содержащих хлорированные соединения, с использованием адсорбента». Журнал прикладной электрохимии . 37 (11): 1329– 1335. doi :10.1007/s10800-007-9376-3. S2CID  98745964.
  8. ^ Браун, Н.; Робертс, Э. П. Л.; Часиотис, А.; Чердрон, Т.; Сангхрайка, Н. (2004). «Удаление атразина с помощью адсорбции и электрохимической регенерации». Water Research . 38 (13): 3067–3074 . Bibcode : 2004WatRe..38.3067B. doi : 10.1016/j.watres.2004.04.043. PMID  15261545.
  9. ^ Браун, Н.; Робертс, Э. П. Л.; Гарфорт, А. А.; Драйф, РА. В. (2004). «Электрохимическая регенерация адсорбента на основе углерода, загруженного кристаллическим фиолетовым красителем». Electrochimica Acta . 49 (20): 3269– 3281. doi :10.1016/j.electacta.2004.02.040.
  10. ^ http://news.bbc.co.uk/1/hi/england/manchester/6176729.stm Освещение BBC инновационной технологии электрохимической регенерации для очистки сточных вод
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Электрохимическая_регенерация&oldid=1260103331"