《Process Safety and Environmental Protection》：Regeneration Technologies for Activated Carbon Saturated with Tetracycline Hydrochloride
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四环素饱和活性炭通过炉式热再生（600℃/60min）效率达94.4%，显著高于微波再生（600℃/80min）的63.9%。热再生在孔隙结构恢复和污染物去除方面更优，但20次循环后性能衰减至40%且碳损失超35%；微波再生稳定性差但碳损失低。
韩宇|于江|黄文晓|关王|方展强
华南师范大学环境学院，广州，510006，中国
摘要
关于抗生素饱和颗粒活性炭（GAC）的马弗炉热再生和微波再生的比较研究仍然有限，这两种方法之间差异的机制尚不清楚。本研究使用氯化四环素（TCH）饱和的椰壳GAC，在两种加热模式下对其再生性能进行了比较评估。实验中改变了再生温度和保持时间，并通过再生效率、碘值和碳损失来评价再生性能，同时还观察了20个再生周期内的变化。结果表明，在600°C下加热60分钟时，马弗炉再生技术的再生效率最高，达到94.4%，显著高于在600°C下加热80分钟的微波再生技术（63.9%）。在循环再生过程中，热再生技术在初期表现出较高的再生性能，但到第20个周期时效率逐渐下降至约40%，同时碳损失超过35%；而微波再生的性能普遍较低且不稳定，但碳损失最小（<5%）。表征结果显示，两种再生方法在孔结构恢复和表面官能团变化方面存在差异，马弗炉再生能够更彻底地去除孔堵塞物并更有效地恢复微孔结构。总体而言，马弗炉热再生更有效地恢复了TCH饱和GAC的吸附性能，为水处理应用中选择高效的再生方法提供了参考。
引言
氯化四环素（TCH）是一种广谱抗生素，由于其有效性、经济性和处理多种感染的能力而被广泛使用（Luo等人，2011年）。然而，在水环境和生活污水中，TCH的浓度通常在ng L-1到μg L-1范围内（Ai等人，2015年），常规污水处理工艺难以有效去除这些微量污染物。因此，高效去除微量抗生素的技术已成为水环境研究的主要关注点，尤其是自从抗生素被正式列入新污染物控制名单之后。在可用的方法中，活性炭（AC）的吸附被认为是去除微量污染物的优选策略，因为它操作简单、成本效益高且产生的有毒副产物少（Jeirani等人，2016年）。尽管活性炭具有优异的吸附性能，但一旦达到饱和状态，就必须更换或再生。
迄今为止，已经研究了多种用于再生有机污染物负载活性炭的策略——物理方法（Huang等人，2023年）、化学方法（Leng和Pinto，1996年）和生物方法（Gamal等人，2018年）。然而，化学和生物方法由于步骤复杂、反应时间较长以及存在二次污染的风险，往往不适用于大规模应用。在物理方法中，传统热再生（Marques等人，2017年）和微波辅助再生（Liu等人，2018年）被认为是技术上最可靠且经济上可行的选择。选择这两种方法是因为它们代表了两种典型的热驱动再生模式，具有不同的加热机制（外部加热与体积/内部加热）。这种设计使我们能够比较再生性能和循环稳定性，同时尽量减少由于溶剂萃取或化学氧化等根本不同的再生原理所带来的差异。在传统热再生过程中，吸附的污染物在高温惰性或轻微氧化条件下热分解或脱附，同时活性炭的孔结构和表面活性得到恢复。与溶剂萃取、化学氧化和生物再生相比，热再生具有更高的效率（Miguel等人，2001年）、更简单的操作（Bagreev等人，2001年）以及更少的二次污染物生成（Li等人，2018年）。
相比之下，微波辅助再生作为一种基于热能的新兴技术，近年来受到了越来越多的关注。由于其快速的热体积加热（Dawson等人，2008年）、较短的处理时间（Gagliano等人，2021年）以及与极性吸附物的选择性相互作用（Yagmur等人，2017年），微波辐照可以促进孔内脱附（Kou等人，2023年）。与依赖外部热传递的传统加热不同，微波能量直接在碳基质内耗散，从而实现更均匀的温度分布。然而，?al??kan等人（?al??kan等人，2012年）指出，吸附剂的介电性质及其与微波场的耦合效率对再生性能至关重要；耦合效果差会导致能量局部化和不完全的再生。同样，Ledesma等人（Ledesma等人，2014年）发现，随着循环次数的增加，再生效率会下降，因为逐渐石墨化和表面氧基团的消耗增强了热稳定性并阻碍了再活化。尽管有这些发现，但对活性炭在多次再生循环中物理化学性质变化的系统研究仍然有限。此外，过高的温度或过长的停留时间可能导致孔结构塌陷和碳烧失，从而减少可行的再生循环次数（Huang和Ostovic，1978年）。因此，优化关键参数（如温度、加热速率和气氛组成）对于提高再生效率和延长活性炭在含抗生素废水处理中的使用寿命至关重要。
本文直接比较了传统热再生和微波再生对TCH饱和颗粒活性炭（GAC）的效果。系统评估了再生效率、碘值和平准化成本，以评估这两种方法的技术经济性能。此外，还进行了多周期实验，以评估再生碳在实际操作条件下的可重复使用性和长期稳定性。本研究旨在确定热再生或微波再生哪种方法对TCH饱和GAC更有效，并阐明观察到的性能差异的机制基础。总体目标是提供对优化含抗生素废水处理中活性炭再生协议的机制理解和实际指导。
材料
选择生物级TCH（Macklin，中国）作为吸附剂。通过将TCH粉末溶解在去离子水中制备了1000 mg L-1的储备溶液，并通过稀释得到工作溶液。椰壳基GAC购自Pushida环境保护科技有限公司（中国）。使用前，将GAC用去离子水（5 g L-1）清洗7小时，然后在105°C的烤箱中干燥12小时。
吸附平衡实验
批量平衡实验在250 mL的容器中进行
马弗炉再生
再生温度和停留时间是影响GAC微波再生和热再生效率的两个主要因素。温度强烈影响污染物的脱附、碳孔结构的恢复以及碳损失的程度。温度不足会导致脱附不完全和再生效率低，而温度过高则可能引起热降解和孔结构塌陷，从而降低GAC的可重复使用性。
结论
本研究系统比较了在惰性气氛下马弗炉热再生和微波再生对TCH饱和GAC的效果。在最佳条件下，马弗炉的再生效率（94.4%）明显高于微波再生（63.9%）。经过20个循环的吸附-再生实验表明，热再生最初几乎完全恢复了性能，但随后逐渐下降至约40%
未引用的参考文献
(de la Puente等人，1997年；Yang和Du，2022年)
CRediT作者贡献声明
关王：撰写——审稿与编辑，监督。黄文晓：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理。方展强：监督，项目管理，资金获取，概念构思。于江：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，数据分析。韩宇：撰写——初稿，方法论，实验设计，数据整理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢国家自然科学基金（项目编号42277003）的支持。
