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一种声波-微波联合再生废弃活性炭的装置与方法

申请号 CN202310277127.7 申请日 2023-03-21 公开(公告)号 CN116212839A 公开(公告)日 2023-06-06
申请人 东南大学; 发明人 张会岩; 王燕坤; 苏银海; 彭勃; 肖睿;
摘要 本 发明 涉及 活性炭 再生技术领域,特别是涉及一种 超 声波 ‑ 微波 联合再生废弃活性炭的装置与方法。本发明包括可移动式 箱体 、 石英 再生桶、石英托盘、旋转 电机 、密封装置、定时及功率控制系统、微波以及 超声波 发生装置;石英托盘与旋转电机通过旋 转轴 相连;定时及功率控制系统与旋转电机、微波以及超声波发生装置相连并进行控制。本发明装置集超声波清洗、微波加热干燥、微波加热活性炭再生多功能一体,并且整体结构较为简单、可小型化,再生过程中活性炭升温迅速,再生时间较短,再生效果好,一般再生率超过95%,多次循环再生后再生率也能保持在90%以上,且再生能耗极低。
权利要求

1.一种声波微波联合再生废弃活性炭的装置,包括箱体、设置在箱体内的再生桶和托盘,其特征在于,箱体包括外部的外壳、箱和内部的谐振腔
箱门向外侧单向开启,箱门中部设置玻璃观察窗,箱门的一侧设置与箱体连接的铰链,另一侧设置把手和密封
外壳与谐振腔之间填充保温层;箱门夹层中填充相同型号的保温层;
箱体的顶部设置进气管,箱体的底部设置连接管;进气管和连接管均插入谐振腔内;
箱体内部设置电机,电机的输出端设置旋转轴旋转轴连接至托盘,沿着旋转轴的外周设置套筒;
再生桶底部设置多个地脚,再生桶放置在托盘上;电机驱动旋转轴转动,带动托盘以及再生桶旋转;再生桶的底部预留若干个槽;再生桶的底部铺设耐高温滤膜;
沿着谐振腔的外壳分别设置超声波发生器和磁控管;超声波发生器位于谐振腔的底部,磁控管沿着谐振腔的外周呈环形阵列分布;
箱体上集成有控制系统,控制系统与磁控管、电机和超声波发生器电性连接;控制系统控制磁控管、电机和超声波发生器运行的功率并设置定时。
2.根据权利要求1所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,其特征在于,箱体底部设置若干个便于移动的万向轮。
3.根据权利要求1所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,其特征在于,进气管和连接管插入谐振腔的一侧均设置防尘罩。
4.根据权利要求1所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,其特征在于,保温层预先切割预留磁控管、旋转电机、超声波发生器的安装位。
5.根据权利要求1所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,其特征在于,连接管上安装四通,分别连接进水管、排水管和出气管;进水管、排水管和出气管上均设置控制启闭的电磁;控制系统控制电磁阀的启闭。
6.根据权利要求1所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,其特征在于,再生桶与谐振腔内壁以及箱门内壁留有30‑40mm间隙,形成氮气或清洗液的流道。
7.一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,采用如权利要求1‑6任一项所述的装置,其特征在于,包括以下具体步骤:
S1、将再生桶底铺设一张耐高温滤膜,将废弃活性炭装填于石英再生桶内,关闭箱门关闭密封锁后,打开进水管进满水后关闭阀门,开启超声波发生器对废弃活性炭进行超声波清洗预处理,然后开启排水管阀门排净箱内废水
S2、将清洗后的废弃活性炭留在再生桶内,将进气管连接氮气瓶,出气管打开连接管路进行尾气收集处理,打开阀门通入氮气排除箱内空气,控制系统控制磁控管在低功率下产生微波辐射加热干燥废弃活性炭;
S3、依据需要再生的废弃活性炭占再生桶容量的百分比设置再生时间及功率,确保微波再生过程处于无或缺氧环境,再生过程中通过安装在箱门上的观察窗进行观察并测温;
S4、保持无氧或缺氧环境,再生完成后冷却固体得到再生炭。
8.根据权利要求7所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,其特征在于,S1中,对废弃活性炭进行超声波清洗过程中,清洗液为水、水基型清洗剂溶剂型清洗剂;
超声波发生器采用40kHz低频超声波对废弃活性炭进行清洗预处理,清洗时长不超过
2min。
9.根据权利要求7所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,其特征在于,S2中,采用低功率微波干燥方法,对清洗后的废弃活性炭进行干燥处理;废弃活性炭在105~110℃温度下脱水干燥5min;
S2中,所接尾气处理装置中为酒精溶液,吸收再生过程中产生的有机副产物,产生的二氧化可直接排放至大气;
S2中,磁控管为多模微波反应器,内箱体为其谐振腔,频率2450MHz,功率在500‑2000W范围通过控制系统进行调节并定时;
在低功率状态下可进行加热干燥,高功率状态下可进行活性炭再生。
10.根据权利要求7所述的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,其特征在于,S3中,高功率状态下再生温度为500~600℃,再生环境为无氧或缺氧环境,再生时间2‑
5min。

说明书全文

一种声波微波联合再生废弃活性炭的装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及活性炭再生技术领域,特别是涉及一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置与方法。

背景技术

[0002] 活性炭吸附是一种成熟的技术,活性炭作为一种优良并且廉价的吸附剂,由于它具有发达的孔径结构,巨大的比表面积,优良的吸附性能以及设备简单,操作方便等特点而被广泛用于空气污染控制、溶剂回收、食品加工、金属回收、催化和废处理等过程(吸附质种类有染料、重金属、洗涤剂除草剂杀虫剂和多环芳等)。但是活性炭的吸附量有限,当活性炭吸附达到其饱和极限时,废弃活性炭就变成了固体废弃物,甚至部分属于危险固体废弃物。
[0003] 但是目前通常大部分的废弃活性炭会被丢弃或倾倒在垃圾填埋场,一部分进行直接焚烧处理,仅有少部分才会被用于再生处理。目前,主要的再生方法有热再生法、化学再生法、电化学再生法、超声波再生法、微波再生法等。
[0004] 其中,最广泛使用也最成熟的技术是在轻度化或惰性气氛下进行热再生处理。但是热再生过程非常耗时耗能,通常需要数小时的加热,且设备较大,小型化较难,单次再生成本也较高,最高可达新活性炭价格的1/3,并且经过多次再生循环后的再生炭的孔径结构显着恶化,各种缺点限制了热再生的进一步发展应用。
[0005] 化学再生法是使用特定溶剂解吸吸附物,主要用于活性炭吸附物质需要回收利用的情况下,该过程的主要缺点是再生效率主要取决于吸附物质的溶解度和施加的压对活性炭结构的影响,并且再生并不彻底,恢复率通常在70%‑90%左右,另外也不适用于循环再生。此外,在解吸过程之后通常涉及到回收提取剂等额外步骤,这导致较高的应用成本。
[0006] 电化学再生目前技术并不成熟,仍在实验阶段;超声波再生法目前也受到越来越多的关注,但是目前的各种实验表明,超声波再生法仅对活性炭中物理吸附部分有脱除效果,对于化学吸附部分基本无能为力。
[0007] 微波再生法是在热再生法基础上,经过无数研究而发展起来的新型活性炭再生技术,升温迅速,再生时间短,能耗低,效率高,且适合多次循环再生,微波加热甚至能够使活性炭进一步活化,提高吸附容量,但是对一些特殊吸附质的脱附效果可能比较差。

发明内容

[0008] 本发明针对传统热再生等再生方法的不足,结合超声波再生、微波再生两种方法的优点,提出一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置与方法,与传统热再生相比有再生时间短、能耗低、效率高、效果好以及所需设备体积小、结构简单,可多次循环再生等优点,与现有微波再生装置与方法相比集多种功能于一体,可实现活性炭超声波清洗、干燥、再生系统化处理。
[0009] 本发明的技术方案,一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,包括箱体、设置在箱体内的再生桶和托盘,箱体包括外部的外壳、箱和内部的谐振腔
[0010] 箱门向外侧单向开启,箱门中部设置玻璃观察窗,箱门的一侧设置与箱体连接的铰链,另一侧设置把手和密封
[0011] 外壳与谐振腔之间填充保温层;箱门夹层中填充相同型号的保温层;
[0012] 箱体的顶部设置进气管,箱体的底部设置连接管;进气管和连接管均插入谐振腔内;
[0013] 箱体内部设置电机,电机的输出端设置旋转轴旋转轴连接至托盘,沿着旋转轴的外周设置套筒;
[0014] 再生桶底部设置多个地脚,再生桶放置在托盘上;电机驱动旋转轴转动,带动托盘以及再生桶旋转;再生桶的底部预留若干个水槽;再生桶的底部铺设耐高温滤膜;
[0015] 沿着谐振腔的外壳分别设置超声波发生器和磁控管;超声波发生器位于谐振腔的底部,磁控管沿着谐振腔的外周呈环形阵列分布;
[0016] 箱体上集成有控制系统,控制系统与磁控管、电机和超声波发生器电性连接;控制系统控制磁控管、电机和超声波发生器运行的功率并设置定时。
[0017] 优选的,箱体底部设置若干个便于移动的万向轮。
[0018] 优选的,进气管和连接管插入谐振腔的一侧均设置防尘罩。
[0019] 优选的,保温层预先切割预留磁控管、旋转电机、超声波发生器的安装位。
[0020] 优选的,连接管上安装四通,分别连接进水管、排水管和出气管;进水管、排水管和出气管上均设置控制启闭的电磁;控制系统控制电磁阀的启闭。
[0021] 优选的,再生桶与谐振腔内壁以及箱门内壁留有30‑40mm间隙,形成氮气或清洗液的流道。
[0022] 一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,包括以下具体步骤:
[0023] S1、将再生桶底铺设一张耐高温滤膜,将废弃活性炭装填于石英再生桶内,关闭箱门关闭密封锁后,打开进水管进满水后关闭阀门,开启超声波发生器对废弃活性炭进行超声波清洗预处理,然后开启排水管阀门排净箱内废水
[0024] S2、将清洗后的废弃活性炭留在再生桶内,将进气管连接氮气瓶,出气管打开连接管路进行尾气收集处理,打开阀门通入氮气排除箱内空气,控制系统控制磁控管在低功率下产生微波辐射加热干燥废弃活性炭;
[0025] S3、依据需要再生的废弃活性炭占再生桶容量的百分比设置再生时间及功率,确保微波再生过程处于无氧或缺氧环境,再生过程中通过安装在箱门上的观察窗进行观察并测温;
[0026] S4、保持无氧或缺氧环境,再生完成后冷却固体得到再生炭。
[0027] 优选的,S1中,对废弃活性炭进行超声波清洗过程中,清洗液为水、水基型清洗剂或溶剂型清洗剂;
[0028] 超声波发生器采用40kHz低频超声波对废弃活性炭进行清洗预处理,清洗时长不超过2min。
[0029] 优选的,S2中,采用低功率微波干燥方法,对清洗后的废弃活性炭进行干燥处理;废弃活性炭在105~110℃温度下脱水干燥5min;
[0030] S2中,所接尾气处理装置中为酒精溶液,吸收再生过程中产生的有机副产物,产生的二氧化可直接排放至大气;
[0031] S2中,磁控管为多模微波反应器,内箱体为其谐振腔,频率2450MHz,功率在500‑2000W范围通过控制系统进行调节并定时;
[0032] 在低功率状态下可进行加热干燥,高功率状态下可进行活性炭再生。
[0033] 优选的,S3中,高功率状态下再生温度为500~600℃,再生环境为无氧或缺氧环境,再生时间2‑5min。
[0034] 与现有技术相比,本发明具有如下有益的技术效果:
[0035] 1、本发明提供一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,整体装置结构简单、可小型化,与传统热再生相比,可以在短时间内高效率地完成对废弃活性炭的再生,不仅可以将废弃活性炭再生利用,还可以进一步降低再生活性炭过程中的能耗;与微波再生、超声波再生相比,再生效果更好,更适用于多次循环再生。
[0036] 2、本发明提供一种采用超声波预处理的微波再生方法,首先利用低频超声波的空化作用在短时间内实现削弱或者破坏活性炭与吸附质之间的键能的目的,用以辅助活性炭微波再生从而达到更好的再生效果,并且清洗预处理时间控制在2min内不会破坏活性炭的多孔结构,可在提高活性炭恢复率的同时降低活性炭损失率;同时,利用活性炭多孔结构的良好吸波性能用以吸收微波辐射能量,可以实现将活性炭快速升温从而弥补传统热再生需要由外向内的漫长导热过程,可起到降低能耗的效果,并且得到的再生炭微孔恢复率较高,恢复效果更好。一般再生率超过95%,多次循环再生后再生率也能保持在90%以上,且再生能耗极低。附图说明
[0037] 图1是本发明实施例的再生系统示意图;
[0038] 图2是本发明实施例的箱体结构示意图;
[0039] 图3是本发明实施例的箱体剖视图;
[0040] 图4是本发明实施例的再生桶示意图;
[0041] 图5是本发明实施例的再生桶的俯视图;
[0042] 图6是本发明实施例5次循环后再生率对比图。
[0043] 附图标记:1、进气管;2、箱体;3、玻璃观察窗;4、密封锁;5、万向轮;6、控制系统;7、连接管;8、托盘;9、再生桶;10、防尘罩;11、磁控管;12、保温层;13、旋转轴;14、电机;15、超声波发生器;16、地脚;17、水槽;18、耐高温滤膜。

具体实施方式

[0044] 实施例1
[0045] 如图1‑2所示,本发明提出的一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,包括箱体2、设置在箱体2内的再生桶9和托盘8,箱体2包括外部的外壳、箱门和内部的谐振腔;
[0046] 箱门向外侧单向开启,箱门中部设置玻璃观察窗3,箱门的一侧设置与箱体2连接的铰链,另一侧设置把手和密封锁4;
[0047] 外壳与谐振腔之间填充保温层12;箱门夹层中填充相同型号的保温层12;
[0048] 箱体2的顶部设置进气管1,箱体2的底部设置连接管7;进气管1和连接管7均插入谐振腔内;
[0049] 箱体2内部设置电机14,电机14的输出端设置旋转轴13,旋转轴13连接至托盘8,沿着旋转轴13的外周设置套筒,套筒的顶部与托盘8接触,底部与箱体2的内壁接触,套筒对托盘8起到支撑作用,并对旋转轴13起到定位作用,降低运转过程中旋转轴13出现径向震动;
[0050] 再生桶9底部设置多个地脚16,再生桶9放置在托盘8上;电机驱动旋转轴13转动,带动托盘8以及再生桶9旋转;再生桶9的底部预留若干个水槽17;再生桶9的底部铺设耐高温滤膜18;
[0051] 沿着谐振腔的外壳分别设置超声波发生器15和磁控管11;超声波发生器15位于谐振腔的底部,磁控管11沿着谐振腔的外周呈环形阵列分布;
[0052] 箱体2上集成有控制系统6,控制系统6与磁控管11、电机14和超声波发生器15电性连接;控制系统6控制磁控管11、电机14和超声波发生器15运行的功率并设置定时;
[0053] 万向轮5安装四个于箱体2底部,用以箱体2的便捷移动;控制系统6连接并控制磁控管11、旋转电机14以及超声波发生器15,包括清洗开关、旋转加热开关、定时器、功率调节器等;托盘8与旋转轴13连接,旋转轴13贯穿内箱体、保温层、金属底连接在下部旋转电机14上,可将再生桶9进行支撑固定并在启动加热后带动其同步旋转;保温层12填充于金属箱体外壳与谐振腔内箱体之间,以及金属箱门夹层中,并预留磁控管11、旋转电机14、超声波发生器15所需的位置
[0054] 其中,通过设置再生桶9可从箱体2内取出,方便填料以及收集成品,通过超声波发生器15产生超声波在箱内清洗废弃活性炭,提高活性炭再生率,通过磁控管11产生微波,使废弃活性炭迅速升温,从而达到干燥以及再生的目的。对于箱体2内部的各种材料均采用透波材料,减少对微波的吸收及影响,保证箱内仅有废弃活性炭吸收微波,减少能源损失;利用控制系统6设定时间及调节功率,低功率状态下加热干燥,高功率状态下加热再生;同时,本发明装置采用通入惰性气体的方式保证再生过程中保持无氧或缺氧环境,提高再生炭的得率。
[0055] 实施例2
[0056] 一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的装置,与实施例1不同的是,进气管1贯穿安装于箱体2以及保温层11上部一侧,与内箱体2顶部相连接,箱体2外部分设有阀门及管路连接装置,可连接氮气瓶,连接管7贯穿安装于箱体2以及保温层12下部对侧,与内箱体侧面相连接并与底部平齐,便于排净箱内废水,箱体2外部也设有阀门及管路连接装置,可连接管路进行尾气收集处理,在超声波清洗预处理阶段可连接管路进行进水及排水,箱体内部也设有防尘罩10防止活性炭粉末堵塞;
[0057] 箱体2的金属箱体外壳以及金属箱门起到微波屏蔽的效果,防止微波辐射泄漏对人体产生伤害;玻璃观察窗3安装在箱门上,玻璃观察窗3正对再生桶9,用以直接观测到活性炭再生过程中活性炭的状态变化,并可采用红外测温仪进行测温;保温层12填充于金属箱体外壳与谐振腔内箱体之间,以及金属箱门夹层中,进一步减少加热过程中的热量损失,进一步节约能源;
[0058] 再生桶9底部设三个支撑固定脚15用以支撑固定,中心设置一定数量水槽17,用以排净清洗液,配合耐高温滤膜18使用防止活性炭泄漏,再生桶9四周与内箱体2及箱门留有30‑40mm间隙用以氮气及清洗液流通,可用以保持无氧或缺氧环境,提高再生炭的得率,冷却后取出再生桶便于收集再生炭。
[0059] 实施例3
[0060] 本发明实例还提供一种超声波‑微波联合再生废弃活性炭的方法,包括以下步骤:
[0061] S1、将再生桶9底铺设一张耐高温滤膜18,将废弃活性炭装填于再生桶9内,关闭箱门关闭密封锁后,打开进水管进满水后关闭阀门,开启超声波发生器15对废弃活性炭进行超声波清洗预处理,然后开启排水管阀门排净箱内废水;
[0062] S2、将清洗后的废弃活性炭留在再生桶9内,将进气管1连接氮气瓶,出气管打开连接管路进行尾气收集处理,打开阀门通入氮气排除箱内空气,控制系统6控制磁控管11在低功率下产生微波辐射加热干燥废弃活性炭;
[0063] S3、依据需要再生的废弃活性炭占再生桶9容量的百分比设置再生时间及功率,确保微波再生过程处于无氧或缺氧环境,再生过程中通过安装在箱门上的观察窗进行观察并测温;
[0064] S4、保持无氧或缺氧环境,再生完成后冷却固体得到再生炭。
[0065] S1中,对废弃活性炭进行超声波清洗过程中,清洗液为水;
[0066] 超声波发生器15采用40kHz低频超声波对废弃活性炭进行清洗预处理,清洗时长不超过2min。
[0067] S2中,采用低功率微波干燥方法,对清洗后的废弃活性炭进行干燥处理;废弃活性炭在105~110℃温度下脱水干燥5min;
[0068] S2中,所接尾气处理装置中为酒精溶液,吸收再生过程中产生的有机副产物,产生的二氧化碳可直接排放至大气;
[0069] S2中,磁控管11为多模微波反应器,内箱体为其谐振腔,频率2450MHz,功率在500‑2000W范围通过控制系统进行调节并定时;
[0070] 在低功率状态下可进行加热干燥,高功率状态下可进行活性炭再生。
[0071] S3中,高功率状态下再生温度为500~600℃,再生环境为无氧或缺氧环境,再生时间2‑5min;
[0072] 上述实施例的工作过程为:将再生桶底铺设一张耐高温滤膜,将废弃活性炭装填于石英再生桶9内,然后关闭箱门,锁紧密封锁4,此时再生桶四周与内箱体及箱门留有30‑40mm间隙;打开上部进气口1由进水口7进水至水充满内箱体,以水为清洗剂降低清洗成本;
关闭阀门后开启超声波发生器15进行40kHz低频超声波清洗预处理1‑2min,打开排水口7阀门排净箱内水后关闭阀门;将进气口1连接氮气瓶,出气口7连接管路通入酒精溶液中,打开阀门排净箱内空气,保持无氧环境;打开旋转加热开关,所需要再生的废弃活性炭占再生桶
9容量为50%;利用控制系统6进行功率调节500W及定时5min进行微波加热干燥,干燥过程中通过玻璃观察窗3观察并进行红外测温,保证干燥温度为105~110℃;干燥完毕后,利用控制系统6进行定时2min以及功率调节1000W,再生过程中通过玻璃观察窗3观察并进行红外测温,保证再生温度为500~600℃;定时结束后继续保持气体流通至活性炭冷却,打开密封锁4取出石英再生桶9收集得到再生炭。所需要再生的废弃活性炭占再生桶9容量为
100%,则调节微波加热干燥的功率为1000W,再生过程定时5min,且功率为2000W。
[0073] 本发明一方面提供一种结构简单、可小型化的微波再生废弃活性炭的装置;另一方面提供一种采用超声波预处理的微波再生方法,首先利用低频超声波的空化作用在短时间内实现削弱或者破坏活性炭与吸附质之间的键能的目的,用以辅助活性炭微波再生从而达到更好的再生效果,并且清洗预处理时间控制在2min内不会破坏活性炭的多孔结构,提高活性炭恢复率的同时降低活性炭损失率;同时,利用活性炭多孔结构的良好吸波性能用以吸收微波辐射能量,可以实现将活性炭快速升温从而弥补传统热再生需要由外向内的漫长导热过程,可以降低能耗并且得到的再生炭微孔恢复率较高,在一定程度上甚至可以进一步提高再生炭的吸附量。
[0074] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于此,在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内,在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。