用于饱和苯乙烯的活性炭的再生技术

《Process Safety and Environmental Protection》：Regeneration technologies for activated carbon saturated with styrene

　　

黄文晓|曾豪伟|李伟东|黄炯|韩宇|罗家豪|方占强

华南师范大学环境学院，中国广州510006

摘要

苯乙烯吸附活性炭的热再生仍然是一个持续的挑战，主要原因是再生产过程中苯乙烯的热聚合，这种聚合会产生难熔的聚合物残留物，导致孔隙堵塞并降低再生效率。本研究比较了微波和管式炉对苯乙烯饱和活性炭的热再生效果。结果表明，在300℃时，微波再生的效率达到了80%，显著高于同一温度下管式炉的40%。微波的体积加热能够快速脱附苯乙烯，抑制热聚合并减少聚合物残留物对孔隙的堵塞。此外，微波再生后的活性炭具有更好的循环稳定性，10次循环后的容量损失小于管式炉的1次循环。多次循环后，微波再生的碳损失低于5%，也低于管式炉。其机制在于微波能够快速加热内部孔隙，促进苯乙烯脱附，从而更好地保持活性炭的孔结构。由于微波热再生的操作温度较低且所需保留时间较短（相比传统的热再生方法），因此在能源消耗方面可能具有优势。本研究为苯乙烯饱和活性炭的高效再生提供了参考。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是形成地面臭氧和二次有机气溶胶的重要前体。因此，有效减少VOC排放是改善区域空气质量的核心方面（Dai et al., 2022; Mangotra and Singh, 2024; Rahimpoor et al., 2022; Simayi et al., 2022）。苯乙烯是一种典型的VOC，广泛用于橡胶、涂料、聚合物和复合材料等工业领域，并被列入“知情有害物质清单”及特殊健康危害物质列表（Candia-Lomelí et al., 2023, Roh et al., 2023, Vivaldi et al., 2022）。工业生产中使用的苯乙烯约有20%释放到环境中，长期暴露会对人体黏膜和中枢神经系统造成损害（Candia-Lomelí et al., 2023; Sadighara et al., 2022）。因此，开发高效且环保的苯乙烯污染控制技术是环境领域的紧迫挑战。吸附技术是处理苯乙烯和其他VOC排放的重要方法之一，具有高去除效率和操作简便的优点（Choma et al., 2024; Qin et al., 2023; Zhu et al., 2020）。活性炭被认为是最有前景的吸附剂，因为它结合了多种优点，如优异的吸附性能、可调的孔结构和表面化学性质，以及高效的低浓度复杂VOC富集能力，因此在实际工程中得到最广泛的应用（Baskaran et al., 2024, Rong et al., 2023, Shen, 2023）。

促进吸附技术大规模应用的关键在于吸附剂的再生和回收，这直接影响材料的寿命、工艺经济性和整体环境效益（Bayuo et al., 2024; Cai et al., 2022; Gkika et al., 2022）。目前，许多研究集中在活性炭的再生技术上，如热再生、超声波反冲洗再生、电化学再生和先进氧化再生（Wang et al., 2024）。具体来说，Shan等人采用了超声波原位反冲洗再生方法，有效去除了表面杂质，有机物去除率提高了5%-13%，同时未改变材料的元素组成或晶体结构（Shan et al., 2025）。Santos等人通过阴极电化学再生实现了84%的再生效率，在连续8次循环中吸附能力稳定，能耗仅为2.1 kWh·kg^-1（Santos et al., 2022）。对于先进氧化再生，Santos等人报告称芬顿反应与活性炭具有协同效应，最大再生效率达到71%，并且7次循环后性能稳定（Santos et al., 2020）。这些非热再生技术在实验室规模实验或小规模应用中不仅表现出低能耗、环保和高再生效率等显著优势，还通过保持多次循环中的稳定吸附-解吸性能延长了吸附剂的生命周期。然而，这些技术在大型工程实践中仍存在一些限制。

在工程应用中，热再生是活性炭再生和吸附剂回收的主流技术，因其工艺成熟且应用广泛（Salvador et al., 2015）。然而，传统热再生技术耗能高且VOC脱附效率低，主要是由于传统加热方式中热传导过程形成的质量传递受阻（Chen et al., 2025, Zhu et al., 2020）。在循环再生过程中，未完全脱附的VOC会形成残留物，逐渐积累并堵塞活性炭的孔隙，最终导致其失活（Cai et al., 2022; Jahandar Lashaki et al., 2020; Rahmani et al., 2022）。这种失活现象在苯乙烯吸附活性炭中尤为明显。Zhou Hongyang等人的研究表明，热再生条件下苯乙烯的热聚合会产生更难脱附的芳香族化合物（如三苯苯），缩短了活性炭的使用寿命（Khuong et al., 2005; Zhou et al., 2024a）。因此，减少苯乙烯吸附活性炭热再生过程中的残留物积累对其再生至关重要。目前，关于苯乙烯吸附活性炭再生的研究有限，现有探索主要集中在使用金属催化剂进行高温催化裂解未脱附的苯乙烯，以及调节活性炭表面性质以减轻残留物积累（Gao et al., 2024, 2024; Zhou et al., 2024a）。这些方法基本上是被动缓解策略，旨在通过裂解或抑制苯乙烯聚合来减少残留物积累，而不是主动增强苯乙烯分子的脱附效率。

微波热再生技术在实现低能耗、高效VOC脱附和控制活性炭损失方面表现出显著优势（Huang et al., 2024; Li et al., 2012; Qiao et al., 2025）。与传统热传导不同，微波加热是一种体积加热过程，主要由介电损耗主导，不存在从外向内的温度梯度（Qiao et al., 2025, Wang et al., 2021）。此外，活性炭的sp²杂化碳结构使得微波能量能有效转化为焦耳热，从而具有低能耗、快速加热和高效率脱附的综合优势（Ge et al., 2022; Huang et al., 2024）。先前的研究表明，在活性炭再生过程中，微波热再生在处理时间和能耗方面优于传统热再生（Durán-Jiménez et al., 2019, Gomez-Rueda et al., 2022）。然而，目前尚无关于微波热再生用于苯乙烯吸附活性炭再生的研究。

本研究系统地比较了微波热再生和传统热再生方法对苯乙烯吸附活性炭的再生效率。重点在于确定微波热再生的最佳工艺参数，并评估连续吸附-再生循环过程中活性炭的循环次数、质量变化及性能衰减趋势。同时，还探讨和推测了热再生过程中残留物的形成机制以及微波加热增强再生效果的机理。基于此，初步研究了活性炭的微孔比例对苯乙烯吸附和微波热再生效果的影响。

部分摘录

原材料

本研究选择了四种类型的新鲜活性炭作为实验对象，包括市售的圆柱形颗粒活性炭（AC-FJ）、市售的椰壳活性炭（AC-CS）以及两种实验室合成的介孔活性炭（AC-J1和AC-J2）。主要研究对象AC-FJ是一种基于木材的活性炭，具有分级孔结构，其中微孔体积占52%，介孔体积占48%

两种热再生方法的比较

如图1(a)所示，为了研究再生温度对传统加热和微波加热再生效果的影响，并确定最佳再生温度，对苯乙烯饱和的AC-FJ样品在九个再生温度（200、250、300、350、400、500、600、700和800 °C）下进行了热再生实验。

结论

本研究比较了在惰性气氛下微波和管式炉对苯乙烯饱和活性炭的热再生效果。在300 °C时，微波再生的效率达到了80%，高于管式炉的40%；10次循环后的容量损失较小，碳损失低于5%，也低于管式炉。微波的体积内部加热促进了苯乙烯的热脱附

未引用的参考文献

(F, R., J, R., K.S.W, S., P, L., G, M., 2020, Zhou et al., 2024b)

CRediT作者贡献声明

韩宇：撰写——审稿与编辑，数据整理。罗家豪：项目管理，数据整理。李伟东：资源协调。黄炯：方法设计，实验研究。曾豪伟：验证，资源协调，实验研究，数据整理。黄文晓：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，数据可视化，验证，监督，资金争取，形式分析，数据整理，概念构思。方占强：监督，资源协调，项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。